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PCIe Base Specification解析（六）

news 2025/8/10 2:27:12

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文章目录

3 Data Link Layer Specification
- 3.1 Data Link Layer Overview
- 3.2 Data Link Control and Management State Machine
- - 3.2.1 Data Link Control and Management State Machine Rules
- 3.3 Data Link Feature Exchange
- 3.4 Floww Control Initialization Protocol
- - 3.4.1 Flow Control Initialization State Machine Rules
  - 3.4.2 Scaled Flow Control
- 3.5 Data Link Layer Packets (DLLPs)

3 Data Link Layer Specification

数据链路层充当事务层和物理层之间的中间阶段。它的主要职责是提供一种可靠的机制，用于在链路上的两个组件之间交换事务层数据包（TLP）。

3.1 Data Link Layer Overview

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Figure 3-1: Layering Diagram Highlighting the Data Link Layer

数据链路层负责通过PCI Express链路可靠地将事务层提供的事务层数据包（TLP）传输到其他组件的事务层。数据链路层提供的服务包括：

数据交换（DataExchange) ：

在发送端接收事务层TLP，送到物理层。
在接收端把物理层接收到的TLP发送给事务层。

错误检测和重试（Error Detection and Retry)：

TLP Sequence Number 和LCRC生成。
存储发送端的TLP用于链路层重试。
TLP和DLLP的数据链路层数据完整性检查。
Ack/Nak机制。
错误指示，用于错误报告和日志记录机制。
链路确认超时重播机制。

初始化和电源管理（Initialization and power management) ：

跟踪链路状态并把active/reset/disconnected等状态发送给事务层。

DLLP (Data Link Layer Packet) :

用作链路管理功能的Ack/Nak DLLP、用作电源管理的DLLP和用作流控管理的DLLP。
DLLP在链路两侧设备的的数据链路层交换。

DLLP是点到点而不是端到端的传输。TLP是端到端传输。

DLLP和TLP的数据完整性检查是通过跨链路发送的每个数据包附带的CRC完成的。DLLP使用16位CRC，而TLP使用32位LCRC。TLP还包含一个序列号，该序列号用于检测一个或多个完整TLP是否丢失。

收到的未通过CRC检查的DLLP将被丢弃。使用DLLP的机制可能会因信息丢失而遭受性能损失，但会进行自我修复，以使后续的DLLP会取代任何丢失的信息。

数据完整性检查（LCRC检查和序列号检查）失败，或在从一个组件到另一个组件的传输中丢失了TLP，则由发送器重新发送。发送器存储所有已发送TLP的副本，并在需要时重新发送这些副本，并且仅当它从其他组件收到Ack确认后才清除这些副本。如果在指定时间段内未收到Ack，则发送器将自动开始重新发送。接收方可以使用Nak请求发送方立即重发。

数据链路层像是一个信息管道，对事务层的延迟有所不同。在任何给定的单个链路上，灌入发送数据链路层（1和3）的所有TLP 之后将以相同顺序出现在接收数据链路层（2和4）的输出处，如Figure 3-1所示。之间的延迟将取决于许多因素，包括流水线延迟、链路的宽度、工作频率、链路上电信号的传输以及由数据链路层重试引起的延迟。由于这些延迟，传输数据链路层（1和3）可以向传输事务层施加反压，而接收数据链路层（2和4）将有效信息的存在或不存在传达给接收事务层。

3.2 Data Link Control and Management State Machine

数据链路层跟踪链路的状态。它与事务层和物理层通信链路状态，并通过物理层执行链路管理。数据链路层包含执行这些任务的数据链路控制和管理状态机（DLCMSM）。该状态机的状态描述如下，如Figure 3-2所示。

状态机状态有：

DL_Inactive：物理层报告链路不可用或端口无连接时数据链路层处于DL_Inactive状态。
DL_Feature（可选）：物理层报告链路可操作，执行Data Link Feature Exchange。
DL_Init：物理层报告链接可操作后进入DL_Init，数据链路层在DL_Init状态为默认虚通道初始化流控制。
DL_Active：正常操作状态。

输出的数据链路层状态有两个：

DL_Down：数据链路层未与链路另一侧的组件进行通信。
DL_Up：数据链路层正在与链路另一侧的组件进行通信。

Figure 3-2 Data Link Control and Management State Machine

3.2.1 Data Link Control and Management State Machine Rules

DL_Inactive

PCI Express Hot Reset、Warm Reset 或Cold Reset 后数据链路层进入该初始状态（请参阅Section 6.6）。请注意，DL状态不受FLR的影响（请参阅Section 6.6）。
进入DL_Inactive时：
- 所有数据链路层状态复位为默认值。
- 如果端口支持可选实现的Data Link Feature Exchange，则Remote DataLink Feature Supported 字段和 Remote Data Link Feature Supported Valid 字段必须清 0。
- 丢弃数据链路层Retry Buffer的值（see Section 3.6）。

在DL_Inactive时：

向事务层以及对端设备数据链路层报告DL_Down状态。

这将导致事务层丢弃所有outstanding transaction，并在内部终止尝试发送 TLP。对于下游端口，这等效于"Hot-Remove"。。对于上游端口，使链路断开等效于Hot Reset(see Section 2.9）。

丢弃来自事务层和物理层的TLP。
不能生成DLLP，也不能接收DLLP。

在以下情况会退出DL_Inactive并进入DL_Feature状态：

端口支持可选的Data Link Feature Exchange, Data Link Feature Exchange Enable
字段被置1，事务层指示该链路未被软件禁用，并且物理层报告Physical LinkUp=1∼b。

退出DL_Inactive时：

如果端口不支持可选实现的Data Link Feature Exchange，事务层指示该链路未被软件禁用，并且物理层报告Physical LinkUp=1b
如果端口支持可选实现的Data Link Feature Exchange，则Data Link Feature Exchange Enable字段清0，事务层指示该链路未被软件禁用，并且物理层报告Physical LinkUp=1b。

DL_Feature

在DL_Feature时，
- 按Section 3.3描述的执行 Data Link Feature Exchange协议。
- 报告DL_Down状态。
- 允许状态为DL_Down的端口的数据链路层丢弃任何接收到的TLP，前提是它不通过发送一个或多个Ack DLLP来确认那些TLP。
在以下情况会退出DL_Feature并进入DL_Init：
- Data Link Feature Exchange 成功完成，并且物理层继续报告 Physical LinkUp=1b,or
- Data Link Feature Exchange 确定远程数据链路层不支持可选的Data Link Feature Exchange协议，并且物理层继续报告 Physical LinkU p=1b。
在下列情况下，终止Data Link Feature Exchange 协议并退出到DL_Inactive：
- 物理层报告 Physical LinkUp=0b

DLnit

在DLnit时：
- 按照 Section 3.3 中描述的流控制初始化协议，为默认虚通道VCO初始化流控制。
- 发送FC_INIT1 DLLP的过程中报告DL_Down状态；发送FC_INIT2 DLLP的过程中报告 DLp 状态。
- 允许状态为 DLown 的端口的数据链路层丢弃任何接收到的TLP，前提是它不通过发送一个或多个Ack DLLP来确认那些TLP。
在以下情况会退出DL_Init并进入DL_Active状态：
- 流控制初始化成功完成，并且物理层继续报告 Physical LinkUUp=1b。
在以下情况下，终止尝试初始化VCO的流控制并退出到DL_Inactive：
- 物理层报告PhysicalLinkUp=0b。

DL_Active

DL_Active为正常操作状态。
在DL_Active时：
- TLP正常传输。
- DLLP正常发送和接收。
- 向事务层和物理层报告DL_Up状态。
在下述情况退出到DL_Inactive状态：
- 物理层报告 Physical LinkUp=0b。
- 上游组件可以将从DL_Active到DL_Inactive的转换视为一个Surprise Down error，除非以下情况阻止了此错误检测：
  - 如果通过软件将Bridge Control寄存器中的Secondary Bus Reset字段设置为1b，则随后的向DL_Inactive的转换不得视为错误。
  - 如果软件已将Link Disable 字段设置为1b，则随后的向DL_Inactive的转换不得视为错误。
  - 如果由于该端口上方的事件而导致Switch下游端口转换为DL_Inactive，则转换到DL_Inactive不得被视为一个错误。示例事件包括：Switch 上游端口发送一个Hot Reset,Switch上游链路转换为DL_Down以及设置了Switch 上游端口中的Secondary Bus Reset字段。
  - 如果已通过此端口发送了PME_Turn_Off消息，则随后的向DL_Inactive的转换不得视为错误。
  - 请注意，只有在关闭电源，复位或恢复链路的请求发送到物理层后，才会发生这种向DL_Inactive的转换。
  - 请注意，在PME_Turn_Off/PME_TO_Ack握手未能成功完成的情况下，可能会检测到Surprise Down错误。
  - 如果端口与可热插拔插槽关联（Slot Capabilities 寄存器中的Hot-Plug Capable 设置为1b)，并且Slot Capabilities 寄存器中的Hot-Plug Surprise 设置为1b，则任何向DL_Inactive的转换都不视为错误。

如果端口与可热插拔插槽关联（Slot Capabilities 寄存器中的Hot-Plug Capable 设置为1b)，并且 Slot Capabilities 寄存器中的Power Controller Control 设置为1b(Off)，则任何向DL_Inactive的转换都不视为错误。

由上述情况中的一种或多种引起的错误阻止必须保持有效，直到端口退出DL_Active 并随后返回DL_Active为止，而再次返回DL_Active时没有发生任何阻止情况。

请注意，从DL_Active退出只是根据错误检测阻止条件所预期的预期过渡。

如果实现，则是报告的与检测端口相关的错误（请参见Section 6.2）。

IMPLEMENTATION NOTE

Physical Layer Throttling

请注意，在某些情况下，物理层可能暂时无法接受来自数据链路层的TLP和DLLP。数据链路层必须通过为物理层提供传达此条件的机制，以及为TLP和DLLP被该条件暂时阻止的机制来理解这一点。

3.3 Data Link Feature Exchange

Data Link Feature Exchange 协议是可选实现的。实现此协议的端口会实现一个Data Link Feature Extended Capability（请参阅 Section 7.7.4）。此Capability包含四个字段：

Local Data Link Feature Supported 字段表示local Port支持此数据链路功能。
Remote Data Link Feature Supported 字段表示remote Port支持此数据链路功能。
Remote Data Link Feature Supported Valid 字段表示 Remote Data Link Feature Supported 字段包含有效数据。
Data Link Feature Exchange Enable 字段允许系统禁用 Data Link Feature Exchange。这可用于解决无法正确忽略DLLP的旧硬件的问题。

Data Link Feature Exchange 协议将 Local Port的 Feature Supported 的信息传输到Remote Port，并捕获该 Remote Port的Feature Supported的信息。

此协议的规则如下：

在进入DL_Feature时：
- Remote Data Link Feature Supported 和 Remote Data Link Feature Supported Valid 字段必须清0。
在DL_Feature时：
- 事务层必须阻塞TLP的发送。
- 发送Data Link Feature DLLP。
  - 发送的DLLP的Feature Supported 字段必须等于Local Data Link Feature Supported字段的值。
  - 发送的DLLP的Feature Ack字段必须等于RemoteDataLinkFeatureSupported Valid字段值。
Data Link Feature DLLP必须每34μs至少发送一次。在Recovery或Configuration状态中花费的时间不会导致此限制。
处理收到的Data Link Feature DLLP。
- 如果 Remote Data Link Feature Supported Valid字段清0，请在Remote Data Link Feature Supported字段中记录接收到的Data Link Feature DLLP中的 Feature Supported字段的值，然后把Remote Data Link Feature Supported Valid字段设置为1。
在以下情况下会退出DL_Feature：
- 收到了一个InitFC1 DLLP。
- 收到了一个MR-IOV MRInit DLLP（编码为00000001b）。or
- 在DL_Feature中时，至少收到一个Feature Ack字段设置为1的Data Link Feature DLLP。

每个Data Link Feature在 Feature Supported 字段中都有一个对应的比特位。当在Local Data Link Feature Supported 和Remote Data Link Feature Supported 字段中将该位设置为“1时，将激活此Data Link Feature。

Table 3-1中显示了 Data Link Feature及其对应的比特位置。

Table 3-1 Data Link Feature Supported Bit Definition
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3.4 Floww Control Initialization Protocol

在链路正常运行之前，有必要为默认虚通道VCO初始化流控制（Section 6.6）。此外，启用其他虚通道（VC）后，必须为每个新启用的VC完成流控制初始化过程，然后才能使用它（see Section 2.6.1）。本节介绍了用于所有VC的初始化过程。请注意，由于在所有其他VC之前先启用了VCO，所以在初始化vco之前不会有任何类型的TLP业务流处于活动状态。但是，在初始化其他VC时，通常将在其他已启用的VC上传输TLP业务流。此类业务对其他VC的初始化过程没有直接影响。

VC初始化有两个过程：

FC_INIT1
FC_INIT2

各个过程的规则如下节描述。

3.4.1 Flow Control Initialization State Machine Rules

如果在VC 1-7初始化期间的任何时间禁用了VC，则终止VC的流控制初始化过程。
FCNIT1 状态的规则：
- 如果需要初始化一个VC(VCx) 就进入此状态。
  - 在进入 DLnit_状态时， VCx=VCO∘
  - 当软件使能一个VC(VCx=VC1-7)时就会进入FCNIT1 (see Sections 7.9.1 and 7.9.2)。
- 在FC_INIT1状态下：
  - 事务层必须阻止使用VCx传输TLP。
  - 按下述顺序为VCx发送以下三个InitFC1 DLLP：
    - InitFC1-P(first)
    - InitFC1-NP(second)
    - InitFC1-Cpl(third)
- 三个InitFC1 DLLP必须每34μs至少发送一次。
  - 在Recovery或Configuration 状态消耗的时间不会导致此限制。
  - 强烈建议频繁重复InitFC1 DLLP传输，尤其是在没有其他TLP或DLLP可用于传输时。
- 如果链路激活了Scaled Flow Control，请将InitFC1 DLLP中的HdrScale和DataScale字段设置为01b,10b或11b，以指示其在相应的HdrFC和DataFC值上使用的缩放因子。
- 如果发送器不支持Scaled Flow Control，或者如果链路未激活 Scaled Flow Control，则将HdrScale和 DataScale字段设置为00b。
- 除非要保证最小的传输 InitFC1 DLLP的频率，否则数据链路层不得阻止其他传输。
  - 请注意，这包括所有物理层发起的传输（例如，有序集）、Ack和Nak DLLP、以及使用先前已完成初始化的VC的TLP。
- 处理收到的InitFC1和InitFC2 DLLP：
  - 记录其中携带的HdrFC和DataFC值。
  - 如果接收器支持 Scaled Flow Control，则记录其中的HdrScale和DataScale值。
  - 一旦记录了VCx的每个P、NP和Cpl的FCunit值，就设置标志Fl1。
- 下述条件满足则退出FC_INIT1状态进入 FC_INIT2：
  - 已设置FI1，表示已为VCx的每个P、NP和Cpl记录了FC unit值，则进入FC_INIT2状态。

FC_INIT2状态的规则：

在FC_INIT2状态时：
- 事务层必须阻止使用VCx传输TLP。
- 按下述顺序为VCx发送以下三个InitFC2 DLLP：
  - InitFC2-P(first)
  - InitFC2-NP (second)
  - InitFC2-Cpl (third)
- 三个InitFC1 DLLP必须每34μs至少发送一次。
  - 在Recovery或Configuration 状态消耗的时间不会导致此限制。
  - 强烈建议频繁重复InitFC2 DLLP传输，尤其是在没有其他TLP或DLLP可用于传输时。
- 如果链路激活了 Scaled Flow Control，请将InitFC2 DLLP中的HdrScale和DataScale字段设置为01b,10b或11b，以指示其在相应的HdrFC和DataFC值上使用的缩放因子。
- 如果发送器不支持Scaled Flow Control，或者如果链路未激活 Scaled Flow Control，则将HdrScale和DataScale字段设置为00b。
- 除非要保证最小的传输InitFC2 DLLP的频率，否则数据链路层不得阻止其他传输。
  - 请注意，这包括所有物理层发起的传输（例如，有序集）、Ack和Nak DLLP、以及使用先前已完成初始化的VC的TLP。
- 处理收到的InitFC1和 InitFC2 DLLP：
  - 忽略其中携带的HdrFC、DataFC、HdrScale和DataScale的值。
  - 一旦收到任何针对VCx的InitFC2 DLLP，就设置标志FI2。
- 在收到VCx上的任何TLP或UpdateFC DLLP时，设置标志FI2。
满足下述条件则完成初始化并退出FC_INIT2：
- FI2被设置为1。
- 如果链路激活了Scaled Flow Control，则发送器必须在VCx的所有UpdateFC DLLP中为HdrScale和DataScale发送01b,10b或11b。
- 如果支持 Scaled Flow Control或链路未激活 Scaled Flow Control，则发送器必须在所有VCx的UpdateFC DLLP中为 HdrScale和 DataScale 发送00b。

IMPLEMENTATION NOTE

Example of Flow Control Initialization

Figure 3-3 说明了 Switch和下游组件之间vco的流控制初始化协议的示例。在此示例中，每个组件都会为每种类型的流控制信用通告最小允许值。对于这两个组件，支持的最大Max_Payload_Size值为1024字节，对应于040h的数据有效负载信用通告。所有DLLP都显示为已收到，没有错误。

Figure 3-3 VCO Flow Control Initialization Example with 8b/10b Encoding-based Framing

3.4.2 Scaled Flow Control

如果没有足够的流控制信用额度，则可能会影响链路性能。在较高的链路速度下，这种影响会变得更加明显，而限制127个Header 信用（流控DLLP中HdrFC字段为8-Bit）和2047个Data信用（流控DLLP中DataFC字段为12-Bit）会限制性能。Scaled Flow Control 机制旨在解决此限制。（1Credit=16∼B）

Flow Control Credits 代表的是接收端VC buffer的可用空间，这个值直接影响着PCle Link的性能。Scaled Flow Control 扩展了流控DLLP，其中加入了Hdr Scale字段和 Data Scale字段，用于对Credit的数量进行成倍的放大。见Table3-2, Figure 3-7, Figure 3-8和Figure 3-9。

引入Scaled Flow Control 功能之后，PCle的Data Link也发生了相应的变化。与PCle 3.0相比，PCle多了一个＂DL_Feature＂状态。不过，要进入DL_Feature状态还是有条件的，需要在Data Link Feature Capabilities Register 中使能 Data Link Feature Exchange 字段。在Flow Control中，DL_Feature这个状态主要用于Scaled Flow Control 功能的握手交互（专业名称叫做Handshake）。在这个过程中，会用到一个叫做Data Link Feature DLLP。

Data Link Feature DLLP 中 Byte1 bit[7］是 Feature Ack bit，就是用来握手的，Byte 3 bit[0］也就是Feature support的bit[0］代表Scaled Flow Control 是否 support,Feature support的其他bit[22:1］目前是保留的，以备将来之用。

允许所有端口支持Scaled Flow Control。支持16.0 GT/s和更高数据速率的端口必须支持按Scaled Flow Control。Scaled Flow Control 激活不会影响以16.0GT/s和更高数据速率运行的能力。

当未为链路激活Scaled Flow Control时，以下规则适用：

发送和接收的InitFC1、InitFC2和UpdateFC DLLP的HdrScale和DataScale字段必须为00b。
HdrFC计数器为8比特宽，且HdrFC DLLP字段包括此计数器的所有比特。
DataFC计数器为12比特宽，且DataFC DLLP字段包括此计数器的所有比特。

当为链路激活 Scaled Flow Control时，以下规则适用：

InitFC1和InitFC2 DLLP在HdrScale字段中必须包含01b、10b或11b。该值由Table3-2中定义的指定信用类型的outstanding 的最大Header信用数确定。
InitFC1和InitFC2 DLLP在DataScale字段中必须包含01b,10b或11b。该值由Table3-2中定义的指示信用类型的outstanding 的数据有效载荷信用的最大数量确定。
如果在状态FC_INIT1中记录的接收到的HdrScale和DataScale值不为零，则在此VC上启用Scaled Flow Control，并且UpdateFC DLLP在HdrScale和DataScale字段中必须包含01b,10b或11b。
如果在状态FC_INIT1中记录的接收到的HdrScale和DataScale值为零，则在此Vc上未启用Scaled Flow Control，并且 UpdateFC DLLP在HdrScale和DataScale字段中必须包含00b。

Table 3-2: Scaled Flow Control Scaling Factors
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3.5 Data Link Layer Packets (DLLPs)

以下DLLP用于支持链路操作：

Ack DLLP:TLP Sequence number 应答；用于指示成功接收到一定数量的TLP。
Nak DLLP: TLP Sequence number 否定确认；用于启动数据链路层重试。
InitFC1、InitFC2和UpdateFC DLLP：用于流控制。
电源管理DLLP。

3.5.1 Data Link Layer Packet Rules

形成DLLP时，所有标记为“Reserved”（缩写为R）的DLLP字段都必须用全0填充。接收者必须忽略此类字段中的值。每种情况都指定了编码字段中保留值的处理。

所有DLLP都包括以下字段，如Figure 3-4：

DLLP Type-DLLP类型编码字段，如Table 3-3。
16-bit CRC字段。

Figure 3-4 DLLP Type and CRC Fields

Table 3-3: DLLP Type Encodings
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对Ack和Nak DLLP (see Figure 3-5) ：
- AckNak_Seq_Num字段用于指示哪些TLP受到影响。
- 数据链路层根据Section 3.6中提供的规则发送和接收。
对于InitFC1、InitFC2 和 UpdateFC DLLP：
- HdrFC字段指P、NP或Cpl类型报头的信用值。
- DataFC字段指P、NP或Cpl类型数据负载的信用值。
- HdrScale 字段包含对应类型的Header的缩放因子。编码在Table 3-4中定义。
- DataScale 字段包含对应类型的有效负载数据的缩放因子。编码在Table 3-4中定义。

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如果激活了Scaled Flow Control，则必须在所有传输的InitFC1,InitFC2和UpdateFC DLLP中将 HdrScale和DataScale字段设置为01b,10b或11b。
在UpdateFC中，仅允许发送器在支持Scaled FlowControl的情况下在HdrScale和DataScale字段中发送非零值，并且在此VC的InitFC1和InitFC2中接收到HdrScale和DataScale的非零值。
InitFC1、InitFC2和UpdateFC DLLP包格式如 Figure 3-7、Figure 3-8和Figure 3-9所示。
当数据链路层初始化虚通道的流控制（请参见Section 3.4)，事务层根据Section2.6中的规则对流控制进行初始化后，触发传输。
在数据链路层接收时检查完整性，如果正确，则将DLLP的信息内容传递到事务层。如果检查失败，则信息将被丢弃。

电源管理DLLP (see Figure 3-10) ：

根据Chapter 5中的电源管理逻辑规则触发。
在数据链路层接收时检查完整性，然后传递到组件的电源管理逻辑。

Vendor Specific DLLP (see Figure 3-11):

建议接收者静默丢弃Vendor Specific DLLP，除非由特定于实现的机制启用。
建议发送者不要发送Vendor Specific DLLP，除非由特定于实现的机制启用。

NOP DLLP (see Figure 3-6)

接收者应在检查DLLP的数据完整性后不采取任何措施并将其丢弃。

注：这是不支持DLLP Type 编码的更通用规则的特殊情况（请参见Section 3.6.2.2）。

Data Link Feature DLLP (see Figure 3-12)

Feature Ack字段设置为1表示发送端口已接收到一个Data Link Feature DLLP。
- Feature Supported字段表示发送端口支持的feature。这些位等于Local Data Link Feature Supported 字段的值（请参见Section 7.7.4.2)。

OM13781A

Figure 3-5 Data Link Layer Packet Format for Ack and Nak

NOPDataLinkPktFmt

Figure 3-6 NOP Data Link Layer Packet Format

OM13782B

Figure 3-7 Data Link Layer Packet Format for InitFC1

OM13783B

Figure 3-8 Data Link Layer Packet Format for InitFC2

OM13784B

Figure 3-9 Data Link Layer Packet Format for UpdateFC

OM14304A

Figure 3-10 PM Data Link Layer Packet Format

OM14305A

Figure 3-11 Vendor-specific Data Link Layer Packet Format

以下是与数据链路层数据包（DLLP）相关的特征和规则：

当DLLP呈现给物理层或从物理层接收时，它们与TLP不同。
DLLP使用一个16-bit的CRC保护DLLP完整性。
该16-bit CRC计算规则如下（see Figure 3-13) ：
- 用于CRC计算的多项式的系数表示为100Bh。
- seed值为FFFFh。
- CRC计算从byte0的bit0开始，从每个字节的bit0到bit 7。
- 请注意，CRC计算使用DLLP的所有位，而与字段类型无关，包括保留字段。计算结果经过补充，然后放入DLLP的16位CRC字段中，如Table3-5所示。