Ack/Nak機(jī)制詳細(xì)介紹

Ack/Nak是一種由硬件實現(xiàn)的，完全自動的機(jī)制，目的是保證TLP有效可靠地傳輸。Ack DLLP用于確認(rèn)TLP被成功接收，Nak DLLP則用于表明TLP傳輸中遇到了錯誤。

如上圖所示，發(fā)送方會對每一個TLP在Replay Buffer中做備份，直到其接收到來自接收方的Ack DLLP，確認(rèn)該DLP已經(jīng)成功的被接受，才會刪除這個備份。如果接收方發(fā)現(xiàn)TLP存在錯誤，則會向發(fā)送發(fā)發(fā)送Nak DLLP，然后發(fā)送方會從Replay Buffer中取出數(shù)據(jù)，重新發(fā)送該TLP。

Ack/Nak機(jī)制內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

下面對圖中的各個Elements分別做一個簡單地介紹。

首先是發(fā)送端的Elements：

來個大圖特寫：

NEXT_TRANSMIT_SEQ Counter

NEXT_TRANSMIT_SEQ Counter，即NTS計數(shù)器，是一個12位的計數(shù)器。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層處于DL-Down狀態(tài)或者復(fù)位時，該計數(shù)器會被初始化為0。該計數(shù)器只會執(zhí)行加一操作，也就是說當(dāng)其到達(dá)最大值4095時，在進(jìn)行加一操作則會變成0（Roll Over）。該計數(shù)器用于產(chǎn)生下一個待發(fā)送的TLP的序列號（Sequence Number）。每一個序列號都是與一個TLP所唯一對應(yīng)的，可以說這個序列號正是整個Ack/Nak機(jī)制的關(guān)鍵。

LCRC Generator

LCRC產(chǎn)生器用于產(chǎn)生一個32位的CRC值，其作用于整個TLP和其對應(yīng)的序列號。

Replay Buffer

Replay Buffer是Mindshare書中的叫法，在PCIe Spec中，這個Buffer的名稱叫做Retry Buffer。Replay Buffer中按照傳輸順序，存儲了整個TLP、序列號和LCRC，如下圖所示：

當(dāng)發(fā)送端收到來自接收端的Ack DLLP時，會將Buffer中相應(yīng)的TLP（包括對應(yīng)的序列號和LCRC）移除；如果接收到的是Nak DLLP，則會將Buffer中響應(yīng)的TLP（包括對應(yīng)的序列號和LCRC）重新發(fā)送給接收端。

REPLAY_TIMER Count

REPLAY_TIMER是一種看門狗定時器，當(dāng)該定時器溢出，則表明發(fā)送端已經(jīng)發(fā)送了一個或者多個TLP，但是并未收到來自接收端的應(yīng)答信號（Ack/Nak）。此時，發(fā)送端會將Replay Buffer中的TLP重新發(fā)送，并將看門狗定時器重啟。

只要發(fā)送端發(fā)送了任何TLP，該定時器便會啟動，在接收到來自接收端的應(yīng)答信號之前都會持續(xù)地運行。當(dāng)收到應(yīng)答信號之后，定時器會立即被清零。此時如果Replay Buffer仍然有TLP（表明還有TLP被發(fā)送，但是仍未得到應(yīng)答），定時器又會被立即被重新啟動。如果Buffer中是空的，則定時器不會被重新啟動，直到新的TLP被發(fā)送。

REPLAY_NUM Count

這是一個2位的計數(shù)器，用于記錄同一個TLP發(fā)送失敗的次數(shù)，當(dāng)其值從11b變?yōu)?0b時（溢出了，表示嘗試發(fā)送某個TLP失敗了4次），數(shù)據(jù)鏈路層會自動地強(qiáng)制物理層重新進(jìn)行鏈路訓(xùn)練（即LTSSM進(jìn)入Recovery狀態(tài)）。當(dāng)完成鏈路訓(xùn)練之后，便會重新發(fā)送之前發(fā)送失敗的TLP。

當(dāng)發(fā)送端接收到來自接收端的Nak DLLP或者發(fā)送端的看門狗定時器（REPLAY_TIMER）溢出時，該計數(shù)器都會被加一；當(dāng)接收到Ack DLLP時，該計數(shù)器則會被清零。

ACKD_SEQ

ACKD_SEQ寄存器用于存儲最近接收到的Ack或者Nak DLLP中的序列號。當(dāng)復(fù)位或者數(shù)據(jù)鏈路層處于無效狀態(tài)時，該寄存器會被初始化為全1。關(guān)于ACKD_SEQ寄存器的具體用法會在后續(xù)的文章中，用例子的形式詳細(xì)說明。

DLLP CRC Check

接收端在接收到來自發(fā)送端的DLLP后，首先會檢查其DLLP CRC，如果發(fā)現(xiàn)有錯誤，則會直接將其丟棄，認(rèn)為其實無效的DLLP。

然后是接收端的Elements：

首先來一張大圖特寫：

LCRC Error Check

顧名思義，LCRC Error Check用于檢查接收到的TLP是否存在錯誤。如果存在錯誤，則將對應(yīng)的TLP直接丟棄，然后產(chǎn)生一個Nak DLLP發(fā)送給發(fā)送端，讓其重新發(fā)送該TLP。

NEXT_RCV_SEQ

NEXT_RCV_SEQ是一個12位的計數(shù)器，即Next Receive Sequence Number，其值為已經(jīng)成功接收的TLP的序列號加1。主要用于檢查當(dāng)前接收到的TLP是不是應(yīng)該接收到的TLP。

如果NEXT_RCV_SEQ和當(dāng)前接收到的TLP中的序列號的值相等，則認(rèn)為這是一個有效的TLP，但是接收端并不會立即向發(fā)送端發(fā)送Ack DLLP，而是等到AckNak_LATENCY_TIMER溢出時才向發(fā)送端發(fā)送Ack DLLP。也就是說，一個Ack DLLP可能會對應(yīng)多個TLP，接收端不會每成功接收到一個TLP便向發(fā)送端發(fā)送Ack DLLP。

如果當(dāng)前接收到的TLP中的序列號小于NEXT_RCV_SEQ（且差值不超過2048），則認(rèn)為該TLP之前已經(jīng)成功發(fā)送過了，此次是重復(fù)發(fā)送。需要注意的是，PCIe Spec認(rèn)為重復(fù)發(fā)送并不是一個錯誤，只是直接將該TLP丟棄，并沒有Nak或者Error Reporting，但是會返回一個包含有上一次成功接收的TLP的序列號（NRS-1）的Ack DLLP給發(fā)送端。

如果當(dāng)前接收到的TLP的序列號大于NEXT_RCV_SEQ，表明傳輸過程中漏掉了一些TLP。此時，接收端會返回Nak DLLP，并直接丟棄該TLP。

一個簡單的例子如下圖所示：

NAK_SCHEDULED Flag

NAK_SCHEDULED是一個標(biāo)志位，當(dāng)接收端產(chǎn)生Nak DLLP時，該標(biāo)志位會被置位。當(dāng)接收端成功接收到有效的TLP時，該標(biāo)志位會被清零。需要特別注意的是，當(dāng)該標(biāo)志位處于置位狀態(tài)時，接收端不應(yīng)產(chǎn)生其他的Nak DLLP。

AckNak_LATENCY_TIMER

AckNak_LATENCY_TIMER定時器會在接收端成功接收到有效的TLP，且并未向發(fā)送端返回Ack DLLP之前運行。當(dāng)AckNak_LATENCY_TIMER定時器溢出時，接收端會立即向發(fā)送端返回Ack DLLP（攜帶的序列號為NRS-1，即一個Ack對應(yīng)多個有效的TLP）。無論接收端返回Ack還是Nak，該定時器都會被復(fù)位，但是只有當(dāng)接收端再次收到有效的TLP時，該定時器才會被重新啟動。

該定時器（REPLAY_TIMER）的值是由PCIe Spec規(guī)定的和Lane的數(shù)量與Max_Payload有關(guān)，Gen1的值如下圖所示：

Gen2（5GT/s）如下圖所示：

注：該定時器（REPLAY_TIMER）的值是AckNak_LATENCY_TIMER定時器值的三倍。

Ack/Nak Generator

顯然，Ack/Nak Generator的功能是產(chǎn)生Ack或者Nak DLLP。其格式如下：

最后，介紹一下PCIe Spec中推薦的包優(yōu)先級順序。我們知道，PCIe總線通信中，存在多種類型的包，包括TLP、DLLP和Ordered Sets等。為了能夠是總線達(dá)到最優(yōu)的傳輸效率，PCIe Spec推薦對這些包的優(yōu)先級做如下的設(shè)置：（當(dāng)然這只是推薦，并沒有強(qiáng)制廠商一定要這要去實現(xiàn)）。