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PCIe扫盲——PCIe总线体系结构入门

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和很多的串行传输协议一样,一个完整的PCIe体系结构包括应用层、事务层(Transaction Layer)、数据链路层(Data Link Layer)和物理层(Physical Layer)。其中,应用层并不是PCIe Spec所规定的内容,完全由用户根据自己的需求进行设计,另外三层都是PCIe Spec明确规范的,并要求设计者严格遵循的。

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一个简化的PCIe总线体系结构如上图所示,其中Device Core and interface to Transaction Layer就是我们常说的应用层或者软件层。这一层决定了PCIe设备的类型和基础功能,可以由硬件(如FPGA)或者软硬件协同实现。如果该设备为Endpoint,则其最多可拥有8项功能(Function),且每项功能都有一个对应的配置空间(Configuration Space)。如果该设备为Switch,则应用层需要实现包路由(Packet Routing)等相关逻辑。如果该设备为Root,则应用层需要实现虚拟的PCIe总线0(Virtual PCIe Bus 0),并代表整个PCIe总线系统与CPU通信。

事务层(Transaction Layer):接收端的事务层负责事务层包(Transaction Layer Packet,TLP)的解码与校检,发送端的事务层负责TLP的创建。此外,事务层还有QoS(Quality of Service)和流量控制(Flow Control)以及Transaction Ordering等功能。

数据链路层(Data Link Layer):数据链路层负责数据链路层包(Data Link Layer Packet,DLLP)的创建,解码和校检。同时,本层还实现了Ack/Nak的应答机制。

物理层(Physical Layer):物理层负责Ordered-Set Packet的创建于解码。同时负责发送与接收所有类型的包(TLPs、DLLPs和Ordered-Sets)。当前在发送之前,还需要对包进行一些列的处理,如Byte Striping、Scramble(扰码)和Encoder(8b/10b for Gen1&Gen2, 128b/130b for Gen3& Gen4)。对应的,在接收端就需要进行相反的处理。此外,物理层还实现了链路训练(Link Training)和链路初始化(Link Initialization)的功能,这一般是通过链路训练状态机(Link Training and Status State Machine,LTSSM)来完成的。

需要注意的是,在PCIe体系结构中,事务层,数据链路层和物理层存在于每一个端口(Port)中,也就是说Switch中必然存在一个以上的这样的结构(包括事务层,数据链路层和物理层的)。一个简化的模型如下图所示:

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关于事务层,数据链路层和物理层的详细的功能图标如下图所示:

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