詳解PCIe總線協(xié)議

1. PCIe基礎知識

PCI-Express（peripheral component interconnect express）是一種高速串行計算機擴展總線標準，它原來的名稱為“3GIO”，是由英特爾在2001年提出的，旨在替代舊的PCI，PCI-X和AGP總線標準。

與大多數(shù)總線一樣，PCIe總線也包括電氣屬性和協(xié)議組成兩部分。完整地了解PCIe是相對復雜的，所以從應用角度來講，我先從基本的協(xié)議入手，對PCIe有個初步的認識。拓展學習可以參考官方協(xié)議規(guī)范文檔《PCI Express Base Specification》。

PCIe 規(guī)范對于設備的設計采用分層的結構，有事務層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，各層有都分為發(fā)送和接收兩功能塊。

在發(fā)送端，應用程序（設備核A）在事務層形成事務層包（TLP——Transaction Layer Package），儲存在發(fā)送緩沖器里，等待推向下層。在數(shù)據(jù)鏈路層，在TLP 包上再串接一些附加信息，這些信息是對方接收TLP 包時進行錯誤檢查要用到的，形成數(shù)據(jù)鏈路層包（DLLP——Data Link Layer Package）；在物理層，對DLLP 包進行編碼，占用鏈路中的可用通道，從發(fā)送器發(fā)送出去。

在接收端，實際上是發(fā)送端的“逆”過程。如果說發(fā)送端是在不斷組包，那么接收端就是不斷的拆包，最后提取出有用的數(shù)據(jù)信息供B設備的應用程序使用。

整個過程實際上和以太網(wǎng)的過程很相似，都是在不同層級上進行數(shù)據(jù)的擴展。在FPGA的開發(fā)過程中，實際上從事務層到物理層都是封裝好了的，組成標準IP核。用戶通過IP核要求的總線協(xié)議（如AXI4-Stream）與之進行數(shù)據(jù)交換。

2. 事務層協(xié)議

2.1 數(shù)據(jù)包結構

有了IP核之后，實際上我們最關心的就是事務層包的數(shù)據(jù)格式。

事務層數(shù)據(jù)包（TLP）主要由：一個或多個可選的前綴（TLP Prefixes）、一個幀頭（TLP Header）、一個數(shù)據(jù)有效負載（Data Payload）和一個可選的摘要（TLP Dignest）組成，下面簡單介紹一下各部分。

前綴（TLP Prefixes）

有PCIe V2.1總規(guī)范引入，主要起擴展幀頭的作用。如果用不到，可以省去該字段。

幀頭（TLP Header）

TLP Header是TLP中最重要的標志，不同的TLP其頭的定義并不相同。TLP 頭標長3 或者4 個DW（DW = double word——雙字，32位），格式和內(nèi)容隨事物類型變化；

數(shù)據(jù)有效負載（Data Payload）

即主設備要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的長度最小為0，最大為1024DW，視具體情況而定。該字段也是一個可選項，因為有些TLP并不需要傳遞數(shù)據(jù)，如存儲器讀請求、配置和I/O寫完成TLP也不需要。

摘要（TLP Dignest）

摘要是一個可選項，長度為1DW。一個TLP是否需要Dignes是由Header中TD字段決定。如果接受設備支持ECRC校驗的功能的話，則該字段用來防止TLP中的數(shù)據(jù)校驗碼ECRC。

2.2 幀頭含義詳述

TLP Header長3 DW或者4 DW，格式和內(nèi)容隨事務類型的不同而不同。但是對于所有TLP Header來講，都擁有相同的第一個DW定義，如下圖所示（R：Reserved，為0）。

Fmt（［31:29］）——Format of TLP

Fmt是關于頭標長度和該TLP是否有數(shù)據(jù)（字段）的信息，如下圖所示。實際上是3 DW還是4 DW是根據(jù)要訪問目標的地址位寬有關。

Type（［28:24］）

Type的5位編碼與Fmt字段一起用于規(guī)定事務類型、頭標長度和是否有數(shù)據(jù)負載，如下圖所示，只列舉了一部分常用的類型，完整版可以查閱官方協(xié)議規(guī)范。

TC（［22:20］）

Traffic Class，傳輸類型也代表優(yōu)先級，優(yōu)先級高的先得到服務。這里是3比特，說明可以分為8個等級，0-7，TC默認是0，數(shù)字越大，優(yōu)先級越高。

Attr（［18］、［13:12］）

該字段表述TLP的屬性，由3位組成，注意不是連續(xù)的。具體含義見規(guī)范。

TH（［16］）

位為 1 表示當前 TLP 中含有 TPH（TLP Processing Hint）信息，TPH 是 PCIe V2.1 總線規(guī)范引入的一個重要功能。TLP 的發(fā)送端可以使用 TPH 信息，通知接收端即將訪問數(shù)據(jù)的特性，以便接收端合理地預讀和管理數(shù)據(jù)。

TD（［15］）

表示 TLP 中的 TLP Digest（之前說ECRC可選）是否有效，如果這個這個bit置起來，說明該TLP包含ECRC，接收端應該做CRC校驗；

EP（［14］）

表示當前 TLP 中的數(shù)據(jù)是否有效，為 1 表示無效，為 0 表示有效。

AT（［11:10］）

Address Type，地址種類，與 PCIe 總線的地址轉換相關，可暫時不考慮。

Length（［9:0］）

用來描述 TLP 的有效負載（Data Payload）大小。PCIe 總線設置 Length 字段的目的是提高總線的傳送效率。Length 字段以 DW 為單位，其最小單位為 1 個 DW。

3. 報文舉例

因為PICe的報文種類非常多，只舉兩個進行舉例說明。

3.1 寄存器讀報文

如下圖所示，是一個32位尋址的寄存器讀的完整報文（上節(jié)只介紹了第一個DW）。首先解釋一下多的幾個字段的含義。

Requester ID

該字段字段包含生成TLP報文的PCIe設備的總線號（Bus Number）、設備號（Device Number）和功能號（Function Number）。唯一的找到目標設備，那是因為不同的Endpoint設備空間會映射到Host內(nèi)存空間的不同位置。

Tag

Requester ID、Tag合起來組成Transaction ID，在同一時間段內(nèi)，PCIe設備發(fā)出的每一個Non-Posted數(shù)據(jù)請求TLP，其Transaction ID必須唯一。也就是Tag必須唯一。

Last DW BE和1st DW BE

在PCIe 總線以字節(jié)為基本單位迕行數(shù)據(jù)傳遞，但是 Length 字段以 DW 為最小單位。為此TLP 使用 Last DW BE 和 First DW BE 返兩個字段迕行字節(jié)使能，使得在一個 TLP中，有效數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位。

Address

對一個PCIe設備來說，它開放給Host訪問的設備空間首先會映射到Host的內(nèi)存空間，Host如果想訪問設備的某個空間，TLP Header當中的地址應該設置為該訪問空間在Host內(nèi)存的映射地址。

值得注意的是：報文是以DW劃分來進行說明，但實際過程中，頂層應用與PCIe IP核采用64位數(shù)據(jù)的AXI4通信，所以在發(fā)送TLP所需字段數(shù)據(jù)時，主要大小端的問題。

3.2 完成報文

有non-posted request TLP，才有Completion TLP。有因才有果。前面看到，Requester 的TLP當中都有Requester ID和Tag，來告訴接收者發(fā)起者是誰。那么響應者的目標地址就很簡單，照抄發(fā)起者的源地址就可以了。因此，Completion TLP的Header如下：

compl Status

完成情況指示。000--成功完成；001--不支持該請求。其余情況可查閱規(guī)范。

Byte Count

是指還剩下多少字節(jié)的數(shù)據(jù)需要讀取。其余字段可自行查閱規(guī)范。

4. 機制簡述

4.1 Non-Posted和Posted

PCIe總線規(guī)定了兩類數(shù)據(jù)傳送方式，分別是Non-Posted和Posted數(shù)據(jù)傳送方式。

在PCIe總線中，Non-Posted總線事務分兩部分進行，首先是發(fā)送端向接收端提交總線讀寫請求，之后接收端再向發(fā)送端發(fā)送完成（Completion）報文。PCIe總線使用Split傳送方式處理所有Non-Posted總線事務，存儲器讀、I/O讀寫和配置讀寫這些Non-Posted總線事務都使用Split傳送方式。簡單的說就是“一問一答”的方式。

而Posted總線事務，是只向終端發(fā)送報文，而終端無需反饋完成報文，所以是一種“單向發(fā)送”的機制。