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PCIE物理层-encoder
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2024-03-05
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PCIE物理层-encoder

PCIE的物理层框图如下

image.png

对于PCIE的传输编码，如果在pcie1.0和pcie2.0，则使用8/10b的编码，如果是pcie3.0及以上，则使用128/130b传输编码

对于pcie3.0，默认是8GT/s，如果传输编码大于等于8GT/s，则默认使用128/130b编码，如果pcie3.0在L0状态，则默认是2.5GT/s传输，则此时使用8/10b编码。

8/10b编码

8/10b编码的作用是为了维持DC平衡，也就是电信号的0和1均匀分布（避免出现5个连续的1或0），8/10b的编码模型只在低于8GT/s下使用，故有必要介绍一下。8/10b的意义在于将8bit的信息按照3bit+5bit分割，填充成4bit+6bit作为10b使用。填充图解如下

image.png

这里填充还分为rd+和rd-模式。RD（running disparity），+/-是1的个数减去0的个数.默认选择rd-

其逻辑为，先默认按照rd-编码，如果是完美平衡码，则不变，如果不是，则转换极性作为rd+编码。 例如：D.x.3（011），其对应的4B码字有两种：1100和0011，此时RD为负，则取1100作为其对应的4B码字作为输出，发现是完美编码

再例如D.x.4（100），其对应的4B码字有两种：1101和0010，若此时RD为负，则取1101作为其对应的4B码字作为输出，但不是完美编码，1101的1的个数大于0的个数，则转换成相反极性，故转换极性为rd+，则默认编码为0010

如下图

image.png

对于特殊的符号编码，如下可知

image.png

上述举例

  • STP：在开始TLP包前，使用K27.7的符号作为STP符号
  • SDP：在开始DLLP包前，使用K28.2的符号作为SDP符号

具体图解如下：

对于TLP，包组成如下，这里物理层会在DLLP的TLP包上追加前缀符号STP和后缀符号END

image.png

对于DLLP，包组成如下，这里物理层会在DLLP的包上追加前缀符号SDP和后缀符号END

image.png

多lane数据的8/10b编码

如果是x1，则物理层按照上述编码即可，如下图

image.png

如果是x2，则数据是均匀分布，以TLP包为例，STP在lane0的开头，END在lane1的结束，如图

image.png

如果是x4，则如图

image.png

数据加扰

在8/10b的编码下，数据发送是先加扰在编码，数据接收是先解码在解扰。加扰解扰是通过LSFR（Linear Feedback Shift Registers）

LSFR计算方式不想明白，这里不介绍了。

128/130b编码

128/130b编码是在8GT/s速度以上，也就是pcie最后速度协商在pcie gen3以上启用。

128/130b的编码是在原128b上添加2b的头，H0和H1，类型如下：

  • 10b ：代表是一个数据块
  • 01b ：代表是一个Ordered Set块（有序设置块）

与8/10b不一样的是，在多lane的情况下，128/130b会在每个lane上传输H0/H1头，对于每个数据内容，按照小端方式存放

如下是1lane的传输方式

image.png

如下是4lane的传输方式

image.png

Ordered Set Blocks

在link training的阶段，可以通过特殊的有序集来判断块对齐，这个特殊的有序集就是电气空闲退出有序集（EIEOS），下面是通过EIEOS来判断对齐状态的逻辑

  • 未对齐阶段： 接收器在电气空闲后进入未对齐状态，例如刚进入128/130b编码或者退出低功耗状态，如果等待到下一个EIEOS，则进入对齐阶段
  • 对齐阶段： 接收器接收EIEOS和SDS（Start of Data Stream）有序集时进入对齐阶段，如果接收到SDS有序集，接收器进入锁定阶段，如果接收到00b或11b的header，则返回未对齐阶段
  • 锁定阶段： 这个阶段下，数据块将在SDS Ordered Set后正常发送。

Data Block

数据块由Framing Tokens 和 TLPS 和DLLPS组成，它以SDS Ordered Set开始，以SKP Ordered Set结束。

对于Framing Tokens主要有如下几类

image.png

  • IDL：没有TLPs和DLLPs或其他Framing Tokens传输时，传输此
  • SDP：开始DLLP包的Tokens，后面跟随DLLP包
  • STP：开始传输TLP包的Tokens，后面跟随12bit的TLP序列号，在后面是TLP包
  • EDB：End错误，用于确认之前的TLP包被取消
  • EDS：数据流结束，表示数据流结束，下一个块将是Ordered Set Block

上述几类令牌的具体格式如下所示

image.png

所以对于TLP和DLLP的整体包格式图如下

image.png

如上图，TLP包含STP+TLP Prefix（如有）+TLP Header+TLP Payload+TLP 摘要（如有）+LCRC。 如果一个TLP有3DW的Header，1DW的payload，不包括TLP摘要，则整体TLP的length的长度为6=1（Tokens）+0（TLP Prefix）+3（TLP Header）+1（Payload）+0（TLP digest）+1（LCRC）

对于DLLP则简单了，就是在DLLP上加上SDP的Token，即SDP+DLLP+CRC

对于x8的lane的pcie接口，总包数据传输如下所示

image.png

从上面可以知道，对每个lane，H0/H1都是存在的，而Tokens+TLP+DLLP则是均匀遍布在每个lane上。具体为：STP+TLP Header+TLP Payload+LCRC+SDP+DLLP+CRC+IDL+STP....

对于取消TLP是整包示例如下

image.png

这里值得注意的是，EDB的Tokens是作为TLP的扩展，它不计算在TLP的lenth字段中，所以TLP包在传输的过程中，会直接带一个EDB作为TLP的取消。

之前提到了SKP作为整个数据库的结束，故如下图展示带SKP Tokens的整包示例

image.png

可以看到，在EBS之后，新的包是10+SKP+SKP_END+LSFR。故SKP Ordered Set作为整个数据块的结束

数据加扰

通过LSFR加扰，在128b/130b下，前两位H0/H1不会被加扰，EIEOS Ordered Set，SDS,SKP, EIOS不会加扰，LSFR会在EIEOS发送后加扰（有效数据加扰），在EIEOS接收后解扰（接收器解扰数据）。

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PCIE数据链路层-DLLPs
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2024-03-05
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PCIE数据链路层-DLLPs

数据链路层在事务层下面，它封装了TLP数据包，并加上前缀和后缀，形成了DLLP包。如下是层级关系

image.png

DLLP包是完全由硬件完成的

数据链路状态机

数据链路状态机如下

image.png

DLLP

所有的DLLP包含1dword，前面8bit作为dllp的type，后面作为dllp的type的衍生字段。最后16bit作为crc校验，如下

image.png

这里关于dllp type的类型如下

image.png

所以根据不同类型的dllp的字段如下

ack/nak

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InitFC1

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InitFC2

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UpdateFC*

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PM_*

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Vendor Specific

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包装TLP

对于数据链路层，先发送了DLLP包出去，里面标明了DLLP的type和DLLP的type对应字段，再加上CRC。然后再发送TLP，这时候的TLP包会包装前缀和后缀，用作标明TLP包的序列号以及TLP的LCRC校验，也就是如下

image.png

这里的Sequence ID 和LCRC是对TLP的封装。

所以数据链路层的通信流程如下

image.png

这里A是发送者，B是接收者，A会发送TLP包给B，所以B会发送ACK/NAK的DLLP给A接收，这里的DLLP就包含两个部分，一个是1dword+16bit crc的DLLP，一个是包装TLP包加上Sequence和LCRC的完整TLP包。

DLLP发送接收流程

上面已经知道DLLP包括自定义的DLLP字段以及会在TLP添加前缀和后缀。这里根据文档描述，讲述DLLP的发送和接收流程

TLP发送流程

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NEXT_TRANSMIT_SEQ：存放下一个待发TLP包的序列号，TLP包前缀。 AckNak_Seq_Num：DLLP的ACK/NAK字段，存放最后成功接收TLP的序列号 ACKD_SEQ：存放最近收到的序列号（从DLLP的ACK/NAK返回）

所以先判断下一个待发TLP的序列号，不能大于总Counter(4096)的一半。 如果ACKD_SEQ（存放的序列号）和AckNak_Seq_Num（DLLP的ACK/NAK）不相等，则意味着上一次的包发送成功，开始发下一个包，则清空原来的retry buffer，将新的包的序列号加载到ACKD_SEQ，开始发送，如果接收到ACK，则成功，如果为NAK，则重发。

TLP接收流程

image.png

将NEXT_RCV_SEQ：这里是一个计数器，对TLP包计数加1，用来判断NEXT_TRANSMIT_SEQ和自己是否相等

先计算收到的TLP包的LCRC值，然后判断物理层确定TLP是否有效，再获取这次接收到的TLP包的DLLP的后缀LCRC，判断自己计算的LCRC和DLLP的LCRC是否匹配，最后判断当前TLP包的序列号是否等于NEXT_RCV_SEQ，如果等于，将NEXT_RCV_SEQ自增加1，开始处理TLP包，发送ACK，否则发送NAK。

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PCIE事务层-消息请求
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2024-03-01
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PCIE事务层-消息请求

消息请求主要传递如下信号：

  • INTx中断信号
  • 电源管理
  • 错误信号
  • 锁定事务支持
  • slot电源限制支持
  • Vendor-Defined信息
  • LTR（延迟容忍报告）
  • OBFF（buffer刷新和填充的优化信息）
  • DRS
  • FRS
  • PTM

对于一个消息请求，格式如下所示

image.png

对于上面header内的type域的[2:0]代表了消息路由类型如下：

image.png

INTx中断信号

MSI/MSI-X是PCIE首选的中断信号机制，中断消息的length字段是reserved的，有如下8种中断消息

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电源管理信号

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错误信号消息

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锁定事务

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槽位电源限制

限制下游端口的电源大小 image.png

Vendor-Defined信息

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LTR（Latency Tolerance Reporting）

延迟容忍上报信息用于上报设备对读写服务消息的容忍度

image.png

OBFF信息

OBFF是向EP设备上报平台的中心资源情况

image.png

PTM信息

Precision Time Measurement，高精度时间测量

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image.png

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PCIE事务层-tlp事务层描述符
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2024-02-29
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PCIE事务层-tlp事务层描述符

描述符通过三个部分组成，事务ID，属性域，TC域。如下图

image.png

Transaction ID

由上可以知道，事务ID是以一个16位的的requester ID和一个8位的tag组成。 这是由请求者的BDF，Bus Number[7:0]、Device Number[4:0]、Function Number[2:0]组成的信息。 对于post请求，仅发送bdf作为requester id即可，对于non-posted请求，还需要tag字段，

attributes

这里之前有提到，对于attr[2]和attr[1:0]定义如下

image.png

对于bit1和bit2，有四种模式为，1.pci强排序模式，2.轻松排序模式，3.基于ID的排序模式，4.轻松排序或ID排序，如下

image.png

对于bit0，选择是否cache一致性。0是默认一致，1可不一致，如下图

image.png

tc

tc作为流量控制，之前也提到过，000为默认不控制，001-111按照优先级做流控

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PCIE事务层-tlp路由寻址
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2024-02-28
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PCIE事务层-tlp路由寻址

tlp有三种方式路由，Address方式，ID方式和implicit（隐式） address和id是常用路由方式，implicit仅用作message request的type tlp包的路由，这里描述一下address和id。

地址路由

address 路由用作memory和io类型，如果是64位地址则header是4dword，32位地址则是3dword，如下

image.png

对于地址路由时，header的1dword的at字段在memory read/write和atomicOp请求时有效，其他tlp类型时，at字段保留。如下

image.png

也就是：00b=未转换的地址，01b=地址转换请求，10b=已转换的地址，11b=预留

如果存在转换的地址，则地址映射关系，体现在header域的byte8-byte15上，如下图所示

image.png

值得注意的是，对于4g以下的地址，请求必须以32位的格式。

ID路由

id路由通常作为配置请求，ID Routed Message和Completions。对于header中，需要定义Vendor_Defined Messages作为ID。

id路由通过BDF（Bus，Device，Function Numbers）来明确TLP的目的地址

对于ari和非ari设备，id路由的header域值如下

image.png

如果是4dword的tlp header，id路由的header布局如下.（不同字节的header由tlp的类型决定）

image.png

如果是3dword的tlp header，id路由的header布局如下

image.png

这里可以从byte8和byte9来确定BDF值作为id路由的依据

First/Last DW Byte

对于header的byte7，有两个字段，last dw/1st dw。它与byte2和byte3的length[9:0]有一定关系：

  • 如果length的长度是大于1dword，则1st的值不能为0000，last的值也不能为0000
  • 如果length的长度等于1字节，则last的值必须是0000
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