El bus PCI/PCIe: topología, enumeración y el BDF

Casi todo lo interesante conectado a un ordenador de 2026 —la tarjeta de red, el SSD NVMe, la GPU, el controlador USB— cuelga del bus PCI Express. Su topología no es trivia: es el mapa que el kernel recorre para descubrir qué hardware existe, dónde vive y cómo hablarle. PCI le regaló al sistema operativo algo que las máquinas ISA no tenían: un hardware que se presenta a sí mismo, con una identidad y unos recursos legibles por software, sin un solo jumper.

Del bus compartido a la malla punto a punto

El PCI original (1992) era, eléctricamente, un bus de verdad: un haz de pistas paralelas que varios dispositivos compartían, con arbitraje para decidir quién transmitía en cada ciclo. PCI Express (2004) tiró esa electricidad a la basura y la sustituyó por enlaces serie punto a punto —los lanes— unidos por conmutadores, más parecidos a una red conmutada que a un bus. Y sin embargo el kernel sigue hablando de “buses”, “puentes” y “dispositivos”.

La razón es la joya de PCIe: conservó intacto el modelo de software de PCI. El mismo espacio de configuración, la misma enumeración, los mismos identificadores. Un dispositivo PCIe se presenta al software exactamente como uno PCI convencional, aunque por debajo sea una malla de enlaces serie. Por eso un único modelo de driver —el que verás en la lección 30.3— sirve para ambos, y por eso este nivel entero razona sobre una abstracción de bus que hace veinte años que dejó de ser un bus físico.

La topología: raíz, puentes y endpoints

La malla PCIe es un árbol. En la raíz está el root complex: el puente entre la CPU con su controlador de memoria y el resto de la jerarquía. De él salen root ports, que son puentes PCI-a-PCI. Cada puente puede llevar a un switch (que contiene, a su vez, más puentes virtuales) o directamente a un endpoint, que es el dispositivo terminal: la NIC, el NVMe, la GPU.

flowchart TD
CPU[CPU y controlador de memoria] --- RC[Root Complex]
RC --> RP0[Root Port bus 0]
RC --> RP1[Root Port bus 0]
RP0 --> EP0[Endpoint NVMe]
RP1 --> SW[Switch con puentes internos]
SW --> EP1[Endpoint tarjeta de red]
SW --> EP2[Endpoint GPU]

La pieza estructural es el puente PCI-a-PCI. Cada puente define un tramo de la numeración: tiene un bus primario (el de arriba), un bus secundario (el que arranca debajo de él) y un bus subordinado (el mayor número de bus alcanzable a través suyo). Esos tres números convierten un árbol físico en un espacio de numeración plano que la CPU puede direccionar. Recorrer el árbol es, literalmente, seguir esos rangos de bus de puente en puente.

La enumeración: el kernel recorre el árbol

Al arrancar, alguien —la firmware UEFI y, después, el kernel— hace un recorrido en profundidad. Empieza en el bus 0 y, por cada posible dispositivo y función, lee el Vendor ID en el desplazamiento 0 del espacio de configuración. Si lee 0xFFFF, ahí no hay nadie. Si hay un dispositivo y resulta ser un puente (tipo de cabecera 1), le asigna números de bus al lado secundario y desciende recursivamente. El resultado es un árbol de objetos struct pci_bus y struct pci_dev colgando de pci_root_buses.

Una vez construido ese árbol, recorrerlo desde un módulo es trivial. for_each_pci_dev itera sobre cada dispositivo descubierto:

#include <linux/pci.h>

static void volcar_topologia(void)
{
	struct pci_dev *pdev = NULL;

	for_each_pci_dev(pdev) {
		pr_info("%s: [%04x:%04x] clase %06x rev %02x en bus %02x\n",
			pci_name(pdev),            /* dominio:bus:slot.func */
			pdev->vendor, pdev->device,
			pdev->class,               /* base, subclase, prog-if */
			pdev->revision,
			pdev->bus->number);
	}
}

for_each_pci_dev toma y cede referencias por ti mientras avanzas; si sales del bucle antes de tiempo debes soltar la referencia actual con pci_dev_put. Cada struct pci_dev es la representación viva de un endpoint: lleva su identidad, su posición en el árbol y —lo verás en 30.2— sus recursos de memoria ya descubiertos.

BDF: la dirección, y Vendor/Device ID: la identidad

Todo dispositivo tiene dos etiquetas que no hay que confundir. La primera es dónde está: el BDF, o dominio:bus:device.function. El dominio (o segmento) permite superar los 256 buses de un solo espacio; el bus ocupa 8 bits; el device (o slot) 5 bits; y la function 3 bits, porque un mismo chip físico puede exponer hasta ocho funciones lógicas independientes. El kernel empaqueta slot y función en el campo devfn:

u8 bus  = pdev->bus->number;
u8 slot = PCI_SLOT(pdev->devfn);   /* (devfn >> 3) & 0x1f */
u8 func = PCI_FUNC(pdev->devfn);   /* devfn & 0x07        */
int dom = pci_domain_nr(pdev->bus);
/* pci_name(pdev) formatea justo esto: p. ej. 0000:03:00.0 */

La segunda etiqueta es qué eres: el par Vendor ID / Device ID, dos valores de 16 bits grabados en el silicio. 0x8086 es Intel; 0x10de, NVIDIA; 0x1af4, los dispositivos virtio. El Device ID identifica el modelo concreto de chip. Por debajo hay además un subsystem vendor/subsystem device que distingue al fabricante de la tarjeta integradora, y un class code que clasifica el dispositivo de forma genérica —almacenamiento, red, display— para que un driver genérico pueda vincularse sin conocer el modelo exacto.

El árbol en sysfs

Toda esa estructura no se queda encerrada en la RAM del kernel: se proyecta en sysfs, bajo /sys/bus/pci/, donde cada dispositivo es un directorio nombrado por su BDF y cada driver publica a qué dispositivos está vinculado. Es la cara visible del modelo de dispositivos (nivel 28): el bus PCI es solo un bus más colgado de esa jerarquía unificada, y explorarlo no requiere escribir una línea de C.

# cada dispositivo, por su BDF, con su identidad y su driver
ls /sys/bus/pci/devices/
cat /sys/bus/pci/devices/0000:03:00.0/vendor      # p. ej. 0x8086
cat /sys/bus/pci/devices/0000:03:00.0/class       # base, subclase, prog-if
readlink /sys/bus/pci/devices/0000:03:00.0/driver # quien lo maneja

Recorrer sysfs es recorrer el mismo árbol que enumeró el kernel al arrancar. Cada enlace driver es un emparejamiento por identidad que ya ocurrió; cada carpeta nueva que brota al enchufar una tarjeta es una rama reenumerada en caliente. El BDF que da nombre al directorio y el Vendor/Device ID que hay dentro son, otra vez, las dos etiquetas: dónde estás y qué eres.