PCIE Ack/Nak机制详解

Ack/Nak是一种由硬件实现的，完全自动的机制，目的是保证TLP有效可靠地传输。

• Ack DLLP用于确认TLP被成功接收
• Nak DLLP则用于表明TLP传输中遇到了错误

该机制的整体流程如下图所示：

详细说明：

发送端相应的组件

                                

NEXT_TRANSMIT_SEQ Counter

• NTS计数器，是一个12位的计数器
• 当数据链路层处于DL-Down状态或者复位时，该计数器会被初始化为0。
• 该计数器只会执行加一操作，也就是说当其到达最大值4095时，在进行加一操作则会变成0
• 该计数器用于产生下一个待发送的TLP的序列号（Sequence Number）
  • 每一个序列号都是与一个TLP所唯一对应的
  • 可以说这个序列号正是整个Ack/Nak机制的关键。

LCRC Generator

• LCRC产生器用于产生一个32位的CRC值，其作用于整个TLP和其对应的序列号。

Replay Buffer

• 在PCIe Spec中，这个Buffer的名称叫做Retry Buffer。
• Replay Buffer中按照传输顺序，存储了整个TLP、序列号和LCRC
• 当发送端收到来自接收端的Ack DLLP时，会将Buffer中相应的TLP（包括对应的序列号和LCRC）移除；
• 如果接收到的是Nak DLLP，则会将Buffer中响应的TLP（包括对应的序列号和LCRC）重新发送给接收端；

 REPLAY_TIMER Count

• REPLAY_TIMER是一种看门狗定时器，当该定时器溢出，则表明发送端已经发送了一个或者多个TLP，但是并未收到来自接收端的应答信号（Ack/Nak）
• 此时，发送端会将Replay Buffer中的TLP重新发送，并将看门狗定时器重启；
• 只要发送端发送了任何TLP，该定时器便会启动，在接收到来自接收端的应答信号之前都会持续地运行；
• 当收到应答信号之后，定时器会立即被清零

REPLAY_NUM Count

• 这是一个2位的计数器，用于记录同一个TLP发送失败的次数
• 当其值从11b变为00b时（溢出了，表示尝试发送某个TLP失败了4次），数据链路层会自动地强制物理层重新进行链路训练（即LTSSM进入Recovery状态）
• 当完成链路训练之后，便会重新发送之前发送失败的TLP；
• 当发送端接收到来自接收端的Nak DLLP或者发送端的看门狗定时器（REPLAY_TIMER）溢出时，该计数器都会被加一；
• 当接收到Ack DLLP时，该计数器则会被清零

ACKD_SEQ Register

• ACKD_SEQ寄存器用于存储最近接收到的Ack或者Nak DLLP中的序列号。

DLLP CRC Check

• 接收端在接收到来自发送端的DLLP后，首先会检查其DLLP CRC，如果发现有错误，则会直接将其丢弃，认为其实无效的DLLP

接收端相应的组件

        ​​​​​​​        ​​​​​​​        

 LCRC Error Check

• LCRC Error Check用于检查接收到的TLP是否存在错误。
• 如果存在错误，则将对应的TLP直接丢弃，然后产生一个Nak DLLP发送给发送端，让其重新发送该TLP

NEXT_RCV_SEQ Counter

• NEXT_RCV_SEQ是一个12位的计数器，即Next Receive Sequence Number，其值为已经成功接收的TLP的序列号加1。主要用于检查当前接收到的TLP是不是应该接收到的TLP。
• 如果NEXT_RCV_SEQ和当前接收到的TLP中的序列号的值相等，则认为这是一个有效的TLP
• 但是接收端并不会立即向发送端发送Ack DLLP，而是等到AckNak_LATENCY_TIMER溢出时才向发送端发送Ack DLLP。
• 也就是说，一个Ack DLLP可能会对应多个TLP，接收端不会每成功接收到一个TLP便向发送端发送Ack DLLP。
• 如果当前接收到的TLP中的序列号小于NEXT_RCV_SEQ（且差值不超过2048），则认为该TLP之前已经成功发送过了，此次是重复发送；
• PCIe Spec认为重复发送并不是一个错误，只是直接将该TLP丢弃，并没有Nak或者Error Reporting，但是会返回一个包含有上一次成功接收的TLP的序列号（NRS-1）的Ack DLLP给发送端。
• 如果当前接收到的TLP的序列号大于NEXT_RCV_SEQ，表明传输过程中漏掉了一些TLP。此时，接收端会返回Nak DLLP，并直接丢弃该TLP

NAK_SCHEDULED Flag

• NAK_SCHEDULED是一个标志位，当接收端产生Nak DLLP时，该标志位会被置位。
• 当接收端成功接收到有效的TLP时，该标志位会被清零。
• 需要特别注意的是，当该标志位处于置位状态时，接收端不应产生其他的Nak DLLP。

AckNak_LATENCY_TIMER

• 当AckNak_LATENCY_TIMER定时器溢出时，接收端会立即向发送端返回Ack DLLP
• 携带的序列号为NRS-1，即一个Ack对应多个有效的TLP
• 无论接收端返回Ack还是Nak，该定时器都会被复位
• 但是只有当接收端再次收到有效的TLP时，该定时器才会被重新启动。

Ack/Nak Generator

• 显然，Ack/Nak Generator的功能是产生Ack或者Nak DLLP
• 格式如下：

        

实际例子

参考文档：PCIe扫盲——Ack/Nak 机制详解（二）-Felix-电子技术应用-AET-中国科技核心期刊-最丰富的电子设计资源平台