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PCIE物理层-链路初始化与训练
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2024-03-12
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请注意，本文编写于 451 天前，最后修改于 449 天前，其中某些信息可能已经过时。

目录

PCIE物理层-链路初始化与训练
Training Sequences
EIOS
EIEOS
链路极性
FTS(Fast Training Sequence)
SDS
链接错误恢复
链路速率协商
链路Width和Lane顺序协商
LTSSM状态机
Detect子状态机
Polling子状态机
Configuration子状态机
Recovery子状态机
L0
L0s子状态机
L1子状态机
L2子状态机
Disabled
Loopback子状态机
Hot Reset

PCIE物理层-链路初始化与训练

link trainning 通过LTSSM（Link Training and Status State Machine）完成。在这个过程中，可以发现并确定如下：

  • 链路带宽
  • 链路速率
  • 链路反相
  • 链路极性

Training Sequences

训练时序由位对齐，符号对齐和交换物理层参数三个部分组成，

TS1和TS2用来传输PCIE链路的配置信息

TS1 Ordered Set的具体符号描述如下

image.png image.png image.png

TS2 Ordered Set的具体符号描述如下

image.png image.png

EIOS

在发送器进入电气空闲状态时，必须发送EIOS Ordered Set

  • 在使用8/10b的时候，EIOS是K28.5(COM）+ 3个K28.3(IDL）符号组成
  • 在使用128/130b的时候，EIOS是16个符号的数据，接收器再接收第4个符号的时候，就已经代表接收到了一个EIOS。

image.png

EIEOS

EIEOS用作确保能够检测到电气空闲退出状态，当使用128/130b时，还用于块对齐

EIEOS在5.0GT/s的符号格式(8/10b)和8.0GT/s的符号格式（128/130b）如下 image.png

gen3的EIEOS数据块格式如下

image.png

链路极性

在training的过程中，TS1和TS2的符号6-15作为链路极性标志，如果极性反转，则

  • TS1的6-15符号是D21.5而不是D10.2
  • TS2的6-15符号是D26.5而不是D5.2

FTS(Fast Training Sequence)

在L0s到L0过渡时用于位锁定和符号锁定，FTS的符号信息如下

image.png

SDS

作为数据块的开始符号，在 Configuration.Idle, Recovery.Idle, 和 Tx_L0s状态下传输，SDS的符号信息如下

image.png

链接错误恢复

链路错误主要发生在解码错误，帧错误，符号丢失，缓冲区溢出或丢失，块对齐，错误通常发生在L0状态，也会在L0到Recovery上发生。如不在L0状态上发生的链接错误，LTSSM状态机不会转换到Recovery上。

链路速率协商

协商的行为主要是先从2.5GT/s上启动Link Training，然后在Training Sequence（TS1/TS2）中可以获取支持的速率大小，然后以2.5GT/s的速率走到L0状态，然后从L0走到Recovery状态，重新开始以新的速率Link Training。

链路Width和Lane顺序协商

对于pcie的带宽根据pcie的协议版本来决定，同样的pcie的总体带宽根据lane的数量来决定。

对于pcie来说，gen3可以兼容gen1，对于lane来说，可以将x8拆分成x4+x4。

对于pcie的lane顺序来说，lane可以交织，也就是lane0可以接lane3，lane1接lane2，lane2接lane1，lane3接lane0

也就是说，对于pcie3.0 x16来说。可以作为单纯的x16的gen3连接，也可以作为2个x8.或4个x4，或16个x1，同时对于每个lane，都可以是gen3（8GT）或gen2(5GT)或gen1(2.5GT)

LTSSM状态机

LTSSM状态机如下所示

image.png

每个阶段的解释如下

  • Detect： 检测pcie是否存在，存在则进入此状态
  • Polling： 端口已经发送Training Ordered Sets并接收到Training Ordered Sets，此时已经位锁定和符号锁定，lane极性也确定好了
  • Configuration：在基于确定的速率上发送和接收数据， lane的width和lane顺序也确定好了
  • Recovery： 恢复阶段开始配置新的速率，然后重新位锁定，符号锁定和块对齐，以及通道去偏移
  • L0：正常运行状态，数据和控制包正常发送和接收
  • L0s：L0的低功耗状态，在接收到EIOS后进入L0s状态，但是L0s恢复到L0时需要重新位锁定，符号锁定和块对齐，以及通道去偏移
  • L1：节能状态，但是L1的resume将比L0s时间更长，通过数据链路层的指令并接收到EIOS之后来进入L1状态
  • L2：更节能的状态，此时接收器和发送器已经关闭，主电源和时钟信号都可能停止，但是辅助电源还是可用，也是通过数据链路层的指令并接收到EIOS之后来进入L2状态
  • Disabled：通过配置链路的方式禁用电气空闲退出状态，Disabled使用 1位（Disable link 位）来发送（在TS1/TS2中），禁用通过更高的协议层设置进入禁用状态，也可以发送连续两个带禁用bit的TS1 Oedered Set来禁用
  • Loopback： 用于测试和故障隔离，回环标志在TS1/TS2的bit 2，连续两个设置回环的TS1可以进入回环。
  • Hot Reset：热重置在TS1/TS2的Training Control域，连续两个设置热重置的TS1可以进入热重置

对于LTSSM状态机的状态情况下的Link Status如下图

image.png

从上图可以知道，例如LinkUp状态，在Configuration时可能是1可能是0，这是指的如果是从detect--->polling--->configuration，则此时是0，到recivery才是1.但是如果是从recovery或其他状态进入configuration，则此时的link up是1

Detect子状态机

Detect的默认状态从Quiet开始，然后默认以2.5GT/s进行均衡，均衡完成之后，等待12ms超时或电气空闲状态Broken后，进入Active，在进入active后的再一个12ms内检测接收器，如果在lane上接收到Detection Sequence，则进入Polling，否则进入quiet。 image.png

Polling子状态机

发送器先进入Active状态

  • 如果从Link Control 2寄存器的bit4获取值为1，则进入Compliance状态
  • 如果已连续发送1024个TS1，这个TS1的通道和链路编号设置为PAD后进入Configuration
  • 否则在24ms超时后判断，Compliance标志如果清空，则进入Configuration，如果是1，则进入Compliance，如果都没有设置，则退出到Detect阶段

如果在Configuration状态

  • 如果接收到发送的8个TS2并且设置了PAD，并且在接收到1个TS2时发送16个TS2，则进入Configuration
  • 否则在48ms超时后退回到Detect

image.png

Configuration子状态机

  • 对于configuration状态机，最开始进入start
  • 如果检测到TS1/TS2的禁用标志，则进入Disabled
  • 如果收到两个连续的TS1，其链路号与PAD不同且通道号设置为PAD，则进入Accept
  • 24ms超时后进入Detect

其他细节不详述，（见4.2.6.3）如下图所示

image.png

Recovery子状态机

Recovery的子状态机如下所示，不详述 image.png

L0

L0没有子状态机，如果处于L0，在改变Link Width时进入Recovery，也可以进入L0s，或L1或L2状态。

L0s子状态机

通过FTS可以进入L0状态 image.png

L1子状态机

当长时间没有TLP和DLLP时，发送端通知接收端进入L1状态，如果接收端不同意则进入L0s状态，如果同意则进入L1状态

image.png

L2子状态机

L2状态属于更节能的状态，所以都会重新Detect，与L0，L0s，L1不同的是，它们都是通过Recovery image.png

Disabled

Disabled没有子状态机，当禁用标志位起来时就是Disabled状态机，如果标志清空，则重新进入Detect

Loopback子状态机

回环通过配置进入，如果退出回环则重新detect，状态机如下

image.png

Hot Reset

Hot Reset没有子状态机，默认通过控制进入Hot Reset，或者接收两个连续的TS1，并带有Hot Reset标志作为进入Hot Reset