PCIE总线的分层协议介绍

在PCIE总线中信息是以封包的形式传输的，下面为大家介绍一下数据在PCIE设备中是如何封包以及怎样传输的,这里我们将省去路由寻址、流量控制等一些细节，只介绍数据在设备中的传输过程。PCIE总线采用了串行连接方式，并使用数据包(Packet)进行数据传输，采用这种结构有效去除了在PCI总线中存在的一些边带信号，如INTx和PME#等信号。在PCIE总线中，数据报文在接收和发送过程中，需要通过多个层次，包括事务层、数据链路层和物理层，才能完成数据的传输。PCIE总线的层次结构如图1所示。图1 PCIE总线的层次结构在PCIE体系结构中，数据报文首先在设备的核心层(Device Core)中产生，然后再经过该设备的事务层(Transaction Layer)、数据链路层(Data Link Layer)和物理层(Physical Layer)，最终发送出去。而接收端的数据也需要通过物理层、数据链路和事务层，并最终到达Device Core。下面将介绍各个层次的功能以及该层数据的封包形态，每个层次从发送端和接收端两个方面来讲：1、事务层（Transaction Layer）事务层是三层协议结构的最高层，数据在这一层组成最基本的数据包，即事务层数据包(Transaction Layer Packet，TLP)。在发送端，当处理器或者其他PCIE设备访问PCIE设备时，事务层接收来自PCIE设备核心层的数据，并将其封装为TLP后，发向数据链路层。在接收端，事务层可以从数据链路层中接收数据报文，然后转发至PCIE设备的核心层。接收部分将入站的TLP保存在虚拟通道缓冲区中，根据TLP中的ECRC字段检查CRC错误。若无误，则删去ECRC字段，将在TLP Header中得到的信息及数据有效载荷(Data Payload)发送给用户接口。事务层数据包（TLP）主要由一个或多个可选的TLP Prefixes、一个TLP Header、一个Data Payload和一个可选的TLP Digest组成。TLP的组成如图2所示，每一部分的功能会在下面做简单介绍。图 2 TLP的组成TLP Prefix由PCIE V2.1总线规范引入，分为Local TLP Prefix和EP-EP TLP Prefix两类。其中Local TLP Prefix的主要作用是在PCIE链路的两端传递消息，而EP-EP TLP Prefix的主要作用是在发送设备和接收设备之间传递消息。设置TLP Prefix的主要目的是为了扩展TLP头，并以此支持PCIE V2.1规范的一些新的功能。由于TLP Prefix是可选的，如果我们用不到，TLP中可以省去该字段。TLP Header是TLP中最重要的标志，不同的TLP其头的定义并不相同。TLP头的大小为3个或4个DW（双字），其中的信息包含了地址、TLP类型、传送数据的长度、请求者/应答者ID、标记、流量类别、字节允许、完成代码和属性等字段。TLP Header的通用格式（以4DW长度为例）如下图所示。图3 TLP Header通用格式其中第一个DW（Byte0Byte3）中的各个字段在所有的TLP Header中定义是一样的，而后面的2-3个DW则因TLP的类型不同而有所差异。至于TLP Header中每个字段代表的具体意义，以及不同事务类型的TLP中Header的具体形式，大家有兴趣的话可以参考附件文件，里面有详细的介绍。Data Payload，即我们要传输的数据。在一个TLP中，Data Payload的长度视数据长度而定，最小为0，最大为1024DW。Data Payload也可以看做一个可选项，有些TLP并不需要Data Payload，如存储器读请求、配置和I/O写完成TLP并不需要Data Payload；而在存储器写请求、I/O写请求、配置写请求和消息请求的TLP中是带数据的，Data Payload字段要有。TLP Digest是一个可选项,长度为1DW。一个TLP是否需要TLP Digest由TLP Header中TD字段决定。如果接收设备支持ECRC校验的功能的话，则TLP Digest字段用来放置TLP中的数据校验码ECRC。2、数据链路层（Data Link Layer）数据链路层（Data Link Layer）连接事务层和物理层，其主要功能是保证在各链路上发送和接受数据包时的数据完整性。数据链路层使用ACK/NAK协议保证报文的可靠传递（ACK/NAK协议：ACK（Acknowledgement）为确认应答字符,在数据通信中，当接收站确认接收的数据无误后，会发给发送站该类字符；NAK（Negative Acknowledge）为否定应答字符，当接收站确认数据收到，但是有错误的信息，便会发送该字符，接收站收到NAK字符后，便会重发数据，直到接收站返回ACK字符，即数据传输无误）。在发送设备中，数据链路层从事务层接收TLP，接收时必须遵循流量控制机制。数据链路层接收到TLP后，生成链路CRC（LCRC）和一个Sequence Number(序列ID)并附加到TLP上。之后在该层中的重放缓冲区中保留该TLP的一个副本并将TLP发往接收设备。接收设备的数据链路层对收到的TLP进行CRC校验；如果校验无误，则向发送设备返回一个带有序列ID的ACK DLLP，发送设备在接收到ACK后，确认该TLP已成功到达接收设备，同时清空重放缓冲区中与该序列ID有关的TLP；如果校验有误，接收设备会返回一个带序列ID的NAK DLLP，发送设备将重发缓冲区中与此ID相关的TLP。数据链路层在TLP上添加的序列ID和LCRC的字段长度分别为12bit和32bit。序列ID用于将重放缓冲区中保存的出站TLP副本与入站ACK/NAK DLLP联系起来，LCRC则是根据TLP的所有字节和序列ID计算的，用于检测数据包的传输是否正确。在数据链路层中的数据封包如下所示。序列IDTLP PrefixesTLP HeaderData payloadECRCLCRC2Byte(11:0bit有效)n DW(n为0,1)3或4DW0-1024DW1DW1DW 图4 数据链路层中的数据封包格式这里简单介绍一下ACK/NAK DLLP，DLLP(Data Link Layer Packet)产生于数据链路层，终止于数据链路层，并不会传递到事务层。DLLP总长度为6Byte,其类型主要由第一个字节DLLP Type字段决定，最后两个字节为CRC校验码。DLLP的各种类型在PCIE 3.0规范中Data Link Layer Specification章节中也有详细的介绍,这里只介绍一下 ACK/NAK DLLP的格式,如下所示：DLLP TypeReservedAckNak_Seq_NumCRC0000 0000 - Ack0001 0000 - Nak12bit12bit(同TLP序列ID)16bit图5 ACK/NAK DLLP3、物理层(Physical Layer) 物理层作为PCIE总线的最底层，负责直接连接PCIE设备，它为设备的数据通信提供传送介质。物理层又可分为两部分：逻辑物理层和电气物理层。逻辑物理层包括对数据包（从数据链路层接收的TLP、DLLP以及从链路上接收的物理层数据包）进行相关的数字逻辑，电气物理层是连接物理层和链路的模拟接口，由各通道的差分驱动器和差分接收器组成。 在发送设备中，来自数据链路层的TLP和DLLP被定时输入到逻辑物理层的发送缓冲区中，物理层在TLP和DLLP的前后分别添加一个帧开始和帧结尾字符。接收设备利用这两个字符检测数据包的开始和结束。此时，在物理层中TLP的数据封包格式如下。STP序列IDTLP PrefixesTLP HeaderData payloadECRCLCRCEND帧开始1Byte2Byte(11:0bit有效)n DW(n为0,1)3或4DW0-1024DW1DW1DW帧结尾1Byte图6 物理层中的TLP封包格式 在发送端，待数据包处理完成后，物理层通过串/并转换器将数据转换成串行比特流，通过差分驱动器发送出去；在接收端，物理层通过并/串转换器将串行数据转换成字节。在这里我们需要知道的是在每个Byte的传输是以低位（LSB）开始，高位（MSB）结束的。下面介绍一下PCIE总线中的数据编码方式：在PCIE总线V1.x和V2.0规范中物理层中使用8/10b编码，即在PCIE链路上的10 bit中含有8 bit的有效数据。在8/10bit编码中，将每个Byte看成由3bits(高3位，如下图中的HGF)和5bits(低5位，如图中的EDCBA)两部分组成，编码后这个Byte数据则变成jhgfiedcba(需要注意的是，这里的hgfedcba已经和原字节中的HGFEDCBA不一样了，在附件PCI Express Base r3.0的附录B（Symbol Encoding）中枚举了一个字节的所有值，及其对应的10bit编码),j和i则是给每部分添加的起始位，其随Byte的值而有所不同。图7 8/10b编码方式而在PCIE V3.0规范中使用128/130b编码方式，即在PCIE链路上的130 bit中含有128 bit的有效数据。在128/130b编码方式中，在128bit的开头添加了H0、H1两个同步起始头，H0H1有两种有效的编码:10和01，其定义了传输的数据负载的类型。下图是128bit数据从发送端到接收端的编码及接收顺序。图8 128bit数据编码方