PCIE數(shù)據(jù)鏈路層架構(gòu)解析

以下文章來源于LPIoT，作者水鳥LPIoT

Pcie數(shù)據(jù)鏈路層

PCIe的數(shù)據(jù)鏈路層在事務(wù)層和物理層之間，用來負(fù)責(zé)鏈路管理，其主要功能是保證來自事務(wù)層的TLP在PCIe鏈路中的正確傳輸，為此數(shù)據(jù)鏈路層定義了一系列的DLLP報(bào)文，數(shù)據(jù)鏈路層使用了容錯(cuò)和重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院鸵恢滦裕═LP ACK/NAK），此外數(shù)據(jù)鏈路層還需要對(duì)PCIe鏈路進(jìn)行管理（電源管理）和監(jiān)控（流量控制）。

與事務(wù)層不同的是，數(shù)據(jù)鏈路層主要處理端到端（同一條PCIe物理鏈路相鄰兩端設(shè)備的發(fā)送端和接收端）的數(shù)據(jù)傳輸；而事務(wù)層是源設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸（源設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間傳輸距離更長(zhǎng)，可能經(jīng)過多個(gè)Switch并有多條PCIe物理鏈路）。此處類似于網(wǎng)絡(luò)通訊的概念，鏈路層通訊在直接物理相連的設(shè)備端口進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)層通訊可以跨過多個(gè)設(shè)備進(jìn)行。

數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈路層使用ACK/NAK協(xié)議發(fā)送和接收TLP（事務(wù)層報(bào)文），由發(fā)送部件和接收部件組成（每個(gè)PCIe設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層包含了這兩部分，而兩個(gè)PCIe設(shè)備間的通信是發(fā)送部件和接收部件成對(duì)實(shí)現(xiàn)的），如下圖所示；

發(fā)送部件由1.Replay Buffer、2.ACK/NAK DLLP接收邏輯和3.TLP接收邏輯組成；

接收部件由1.“Error Check”邏輯、2.ACK/NAK DLLP發(fā)送邏輯和3.TLP發(fā)送邏輯組成。

PCIe總線數(shù)據(jù)鏈路層使用Replay Buffer和Error Check部件共通保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾?；來自事?wù)層的TLP先暫存在Replay Buffer中，然后發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備；源設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)來自目標(biāo)設(shè)備的ACK/NAK DLLP報(bào)文來決定是重發(fā)這些TLP，還是清除存放在Replay Buffer中的TLP。

1.Replay Buffer的大小決定過了事務(wù)層可以暫存在數(shù)據(jù)鏈路層的報(bào)文數(shù)量；

2.PCIe設(shè)備使用Error Check檢查接收到的TLP，并決定如何向?qū)Χ嗽O(shè)備進(jìn)行報(bào)文回應(yīng)；

數(shù)據(jù)鏈路層狀態(tài)

數(shù)據(jù)鏈路層需要通過物理層來監(jiān)控PCIe鏈路狀態(tài)，并維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路層的“控制與管理狀態(tài)機(jī)”（Data Link Control and Management State Machine，DLCMSM），可以從物理層獲得與當(dāng)前PCIe鏈路相關(guān)的狀態(tài)，如下圖所示：

DLCMSM主要包含三個(gè)狀態(tài)：DL_Inactive、DL_Iinit、DL_Active

DL_Inactive狀態(tài)：物理層通知數(shù)據(jù)鏈路層當(dāng)前PCIe鏈路狀態(tài)不可用，沒有檢測(cè)到PCIe鏈路的對(duì)端連接了PCIe設(shè)備；PCIe設(shè)備從復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入DL_Inactive狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行如下操作：

（1）對(duì)PCIe數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行徹底復(fù)位：將與PCIe鏈路相關(guān)的寄存器置為復(fù)位值，并丟棄在Replay Buffer中保存的所有報(bào)文；

（2）數(shù)據(jù)鏈路層向事務(wù)層提交DL_Down狀態(tài)信息；

（3）丟棄來自數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的所有TLP，不再接收對(duì)端設(shè)備發(fā)送的DLLP；

（4）如果PCIe鏈路對(duì)端有PCIe設(shè)備相連，則物理層的LinkUp狀態(tài)位為1，且事務(wù)層并未禁止當(dāng)前PCIe鏈路時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路層將從DL_Inactive狀態(tài)遷移到DL_Init狀態(tài)。

（5）如果PCIe鏈路對(duì)端不存在PCIe設(shè)備，則物理層的LinkUp狀態(tài)位為0，此時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層一直處于DL_Inactive狀態(tài)。

2.DL_Iinit狀態(tài)：物理層通知數(shù)據(jù)鏈路層當(dāng)前PCIe鏈路可用（LinkUp = 1），且物理層正處理鏈路初始化狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層不能接收或發(fā)送TLP和DLLP；

3.DL_Active狀態(tài)：當(dāng)前PCIe鏈路處于正常工作模式，物理層已完成PCIe鏈路訓(xùn)練（LTSSM）；此時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層可以從事務(wù)層和物理層正常接收和發(fā)送TLP，并處理DLLP。在多數(shù)情況下數(shù)據(jù)鏈路層從DL_Active狀態(tài)遷移到DL_Init狀態(tài)，意味著處理器系統(tǒng)出現(xiàn)了異常，系統(tǒng)軟件需要處理這些異常；但如下情況的狀態(tài)遷移不會(huì)引發(fā)異常。

DLCMSM除了從物理層獲得當(dāng)前PCIe鏈路狀態(tài)外，還可以使用狀態(tài)位向事務(wù)層報(bào)告數(shù)據(jù)鏈路層所處的狀態(tài)；如上圖所示，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層收到物理層的狀態(tài)信息后，DLCMSM狀態(tài)機(jī)將進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并向事務(wù)層通知PCIe鏈路的狀態(tài)。

1.DL_Down：數(shù)據(jù)鏈路層處于該狀態(tài)時(shí)，表示PCIe鏈路暫時(shí)沒有檢測(cè)到對(duì)端連接設(shè)備（并非對(duì)端不存在物理設(shè)備）；當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層處于DL_Inactive時(shí)，該狀態(tài)位有效；

2.DL_Up：數(shù)據(jù)鏈路層處于該狀態(tài)時(shí)，表示PCIe鏈路的對(duì)端連接了設(shè)備；當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層處于DL_Acive狀態(tài)時(shí)，該狀態(tài)位有效。

事務(wù)層對(duì)DL_Down/Up狀態(tài)的處理

當(dāng)事務(wù)層收到數(shù)據(jù)鏈路層的DL_Down狀態(tài)信息時(shí)，則說明出現(xiàn)了如下狀況：

1.PCIe鏈路的對(duì)端沒有連接設(shè)備；

2.PCIe鏈路丟失了對(duì)端設(shè)備的連接；

3.數(shù)據(jù)鏈路層和物理層出現(xiàn)了某種錯(cuò)誤，PCIe鏈路不能正常工作；

4.系統(tǒng)軟件禁用PCIe鏈路。

事務(wù)層受到DL_Down狀態(tài)信息后：

1.將不再?gòu)臄?shù)據(jù)鏈路層中接收TLP，除了已經(jīng)使用ACK/NAK報(bào)文確認(rèn)過的TLP；

2.RC或Switch的下游端口將復(fù)位與鏈路相關(guān)的內(nèi)部邏輯和狀態(tài)；

3.Switch和Bridge的上游端口將復(fù)位相關(guān)的內(nèi)部邏輯和狀態(tài)，并丟棄正在處理的TLP；

——此時(shí)Switch和PCIe橋使用Hot Reset方式復(fù)位所有下游端口。

以上是《PCIE數(shù)據(jù)鏈路層整體架構(gòu)》，敬請(qǐng)關(guān)注后續(xù)內(nèi)容