PCIE基础学习之物理层学习基础

目录

逻辑物理层：

链路训练和初始化：

训练机制：

电气物理层：

有序集：

整体协议机制：

发起方：

接收方：

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物理层是PCIE的最底层，TLP 和 DLLP数据包都要经过物理层才能发送给对方。在协议中将物理层的分为两个部分：逻辑部分和电气部分。

逻辑物理层主要包含数字处理，其中主要是将链路上的数据包采样，并串转换等处理；电气部分主要包含物理层的模拟电路接口，为每个通道提供差分驱动器和接收器。

逻辑物理层：

接收端接收到的TLP和TLLP会被物理层的buffer记录，在这个缓存中会对数据包加上start 和 end 字符，这样做是为了方便接收端能识别出边界。

在物理层中，数据包的每个字节都会被分割到链路所使用的所有通道里，这个过程叫做字节条带化。实际上，每个通道在链路上都是独立的串行传输路径，这些通道又在各自的数据接收端聚合。

在传输的过程中，每个字节都进行扰码。对于前两代PCIE来说，使用的编码方式是8b/10b。对于第三代，采用了128b/130b编码。

接收端接收到数据后解码，使用串并转换器将比特流转换成字节流，字节流再通过一个缓存跨时钟后，反条带化之后将所有通道内的字节聚合重新恢复成数据。

链路训练和初始化：

物理层的其他任务是将链路初始化以及训练。

链路训练是为了确保 发起端和接收端时钟同步，极性一致，链路宽度匹配以及速率吻合等。

训练机制：

链路训练通常会发送和接收特定的序列（sequence)来完成。发起端会发送一系列的训练符号，接收端会接收这些训练符号进行时钟恢复，符号锁定，极性检测等，然后将自身状态反馈给发起端。发起端如果发现不对就再次发起训练，直到优化完成。就像两个人反复确认一件事的细节一样。

该机制一般会涉及到几个步骤：

位锁定：接收端会从接收的串行数据中提取时钟信号，此时接收端内部的时钟恢复电路会不断调整，直到与发起端同步。

符号锁定：时钟同步之后，接收端会锁定数据的符号边界。

极性判断：由于插拔的卡槽连接翻转或者信号极性反转，接收端会自动检测发起端的极性并自动调整，以确保信号极性与发起端的一致。

链路交互：发起端和接收端会交互各自的链路通道信息，并选择一个 双方都支持的最大链路宽度。

通道翻转：发起端与接收端的通道存在物理翻转时，接收端会自动调整通道，以确保通道的连接顺序一致。

电气物理层：

物理层的发送器和接收器是通过一个交流耦合链路相连，在两设备连接的物理路径上有电容，让信号高频通过，阻塞低频部分。

由于发起端的接收端的参考电压可能不同，为了实现这个功能，串行总线常常会在物理层加入电容。

有序集：

有序集只在设备的物理层传输，起始于发送端的物理层，终止于接收端的物理层。 物理层的有序集并没有做成数据包的形式，它是一种物理层的数据流，英文称作Order set。

我们也称作它为PLP（physical layer packet)。 一个order set使用一个单独的COM字符作为起始，后面跟着3个及以上的其他字符用于定义传输信息，有序集在传输时只会终止于链路的对端设备，不会被switch路由到PCIE网络中。

有序集的长度是4字节的整数倍，主要参与链路训练，时钟补偿等，还可以指示链路进入或者退出低功耗状态。

整体协议机制：

发起方：

现在以一个内存读请求的例子讲述整个PCIE协议，这个请求过程从发起方发起内存读请求开始，直到发起方从完成方获得所请求的数据为止。

首先发起方的设备核心层（软件层）向事务层发起一个请求，请求中包含了这些信息:32bit 或者64bit 的内存地址，事务类型，要读取的数据总理（以DW) 为单位，流量分类（traffic class) ，字节使能，属性等。

事务层使用这些信息来构建一个MRd TLP 。这个TLP的header大小为3DW 或者4DW，这取决于地址字段的大小（32位地址就是3DW，64位地址就是4DW) 。同时事务层会向Header中加入该请求方ID（BFD）。然后TLP将会被放入相应类型的虚拟通道中，等待被发送。一旦这个TLP被选中，那么流量控制逻辑 就会确认对端设备的接收buffer是否能够接收。之后 MRd TLP就会被发送到数据链路层。

在数据链路层，数据包被加上12bit的序列号 以及32bit的LCRC，并在replay buffer中保留这个TLP的副本，然后将数据发送至物理层。

在物理层里，数据包被加上start和end字符，然后再所有可用的通道上进行字节条带化，8b/10b编码 ，加扰，最终以差分形式输出给对端。

接收方：

接收方对输入的比特流完成串并转换后恢复成10bit，之后经过跨时钟缓存，10bit数据被解码恢复成字节，每个通道上的字节都会被解扰以及反条带化。物理层开始检测start 和 end 字符并把它们剥除，将剩下的TLP发送给链路层。

接收方链路层对该TLP进行LCRC校验，并检查序列号。检查没错时链路层会生成一乐Ack包，里面包含了与该MRd TLP相同的序列号，然后给Ack加上16bit的CRC组成一个Ack DLLP,将这个DLLP发给物理层，有物理层加上组帧符号并传送给发起方。

发起方的物理层接收到Ack DLLP之后，对其组帧符号进行检查和剥除，然后发到链路层。如果链路层CRC检查无错，它会用Ack DLLP内的序列号与replay buffer中的TLP副本的序列号作比较，匹配的TLP副本会从replay buffer中清除。相反，如果接收到Nak DLLP, 那么就会将匹配的这个MRd TLP进行重传。

除了产生Ack DLLP之外，接收端的链路层还会将TLP发送给它的事务层。在事务层中，TLP被放置于合适的虚拟通道接收缓存中，等待对TLP进行ECRC校验（可选），若是校验无错就会发送给软件层。

为了完成请求，接收端的设备核心层（软件层）完成数据访问之后会向它的事务层发送一个Cpld请求（completion with data) ，cpld中包含了于Mrd 相同的requester ID tag 以及事务类型和数据payload等。

事务层使用这个cpld请求中的信息构建一个CplD TLP ,这种TLP的header固定为3DW(CplD TLP使用requester ID进行路由，不会使用到64bit地址）。同时该事务层会将自身的completer ID加到 CplD TLP Header中。之后这个数据包被放到适合的虚拟通道发送缓存中，一旦虚拟通道的冲裁机制选中要发送的cpld TLP ,流量控制逻辑会先确认对端是否有可用空间，之后再发给链路层。

接收端的链路层同样会给数据包加上12bit 的序列号和32bit的LCRC，同时在自身的replay buffer中保留副本，之后将数据发送至物理层。

物理层加入同样的start和end字符并进行同样的硬件操作，最终发送给对端。

发起端接收到这个完成请求包并作一系列的解码，剥除后，其链路又会产生一个ack DLLP,以同样的方式发送给接收端，由接收端判断是否需要重传。

同时发起端的事务层校验TLP（ECRC可选），校验无错之后将收到的cpld TLP 的header和数据payload交给软件层，至此数据请求就全部完成了。