pcie处理层协议中文详解.docx

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pcie处理层协议中文详解

pcie（PCI-Express）处理层协议中文详解

处理层协议（transactionLayerspecification）

◆TLP概况。

◆寻址定位和路由导向。

◆i/o,memory,configuration,messagerequest、completion详解。

◆请求和响应处理机制。

◆virtualchannel（vc）Mechanism虚拟通道机制。

◆dataintegrity数据完整性。

一．TLP概况

处理层（transactionLayerspecification）是请求和响应信息形成的基础。

包括四种地址空间，三种处理类型，从下图可以看出在transactionLayer中形成的包的基本概括。

一类是对i/o口和memory的读写包（TLPS：

transactionLayerspackages），另一类是对配置寄存器的读写设置包，还有一类是信息包，描述通信状态，作为事件的信号告知用户。

对memory的读写包分为读请求包和响应包、写请求包（不需要存储器的响应包）。

而i/o类型的读写请求都需要返回I/O口的响应包，configuration包对配置寄存器的读写请求也有响应包。

这些请求包还可以按属性来分就是：

NP-nonposted，即请求需要返回completion的响应包；还有一种就是；poste，即不需要completion返回响应包。

例如上面的存储器写入请求包和Message包都隶属于posted包。

包的主要格式结构如下：

每种类型的包都有一定格式的包头（TlpHeader），根据不同的包的特性，还包括有效数据负荷（DataPayload）和tlp开销块（TlpDigest）。

包头中的数据用于对包的管理和控制。

有效数据负荷域存放有效数据信息。

具有数据的TLP传递是有一定规则的：

以DW为长度单位，发送端数据承载量不得超过“DeviceControlRegister”中的“Max_Payload_Size”数值，接收端中，所接收到的数据量也不能超过接收端“DeviceControlRegister”中的“Max_Payload_Size”数值。

TLpDigest域是32位的ECRC校验。

具体的包结构图如下：

由此图可看出数据从低字节的高位先发送，从左到右。

以下详细介绍TLPS的每个成分。

R为保留信息位，应设为0，路由器switch对此位不做修改，接收器应该忽略此位。

▲                     Fmt[1:

0]：

FormatofTLP（seeTable2-2）–bits6:

5ofbyte0

▲                     Type[4:

0]：

TypeofTLP–bits4:

0ofbyte0

▲                     TC[2:

0]:

TrafficClass–bits[6:

4]ofbyte1,关于TC的作用将在下文说明。

▲                     Attr[1:

0]:

Attributes–bits[5:

4]ofbyte2,详细介绍见下文

▲                     TD：

1bindicatespresenceofTLPdigestintheformofasingleDWattheendoftheTLP标志TLPDigest域的有无。

▲                     EP:

indicatestheTLPispoisoned–bit6ofbyte2有效数据中毒（出错）机制。

▲                     Length[9:

0]:

LengthofdatapayloadinDW.

Fmt开销位说明TLPHeader的长度和TLP是否包含数据，见下图。

▲ Fmt[1:

0]=00b,代表3DW的包头，没有数据。

▲ Fmt[1:

0]=01b,代表4DW的包头，没有数据。

▲ Fmt[1:

0]=10b,代表3DW的包头，有数据。

▲ Fmt[1:

0]=11b,代表4DW的包头，有数据。

Fmt和Type开销组合定义了包（TLP）的类型如下。

上图定义了各种类型的包，图中的r[2:

0]用于定义Message包的隐含寻址方式，在下文中更为详细。

Length域定义了有效负荷的DW长度如下。

在不包含datapayload块的包中Length的值应被设置为保留值R，并被接收端忽略。

余下的各个开销位将在后文提到。

二．TLP打包定址和路由导向方式

主要有三种TLP寻址方式：

地址路由（address）、ID识别路由、间接路由（implicit）。

下面主要解释address和ID寻址方式，间接寻址将在后面提及。

address寻址主要用于memory和i/orequest请求包，memory读写请求包支持64位地址和32位地址，i/o读写请求只支持32位地址。

64位地址寻址的TLPHeader有4DW（16字节），32位地址寻址的TLPHeader有3DW长。

上图就是64位地址的4DW的包头和32位地址的3DW的包头。

对于memory读写request包，AT（addressTypefield）有如下的编码。

ID寻址方式主要用在configuration请求包、部分message包、响应包中。

ID包括Busnumber、Divcenumber、functionnumber为TLP定位目标接收器。

ID寻址的TLP包头长度也有4DW和3DW两种，ID在TLP中位置见下图。

第七个Byte（Byte7）是第一个DW数据负荷和最后一个DW数据负荷使能位（ByteEnables），ByteEnables在于memory，i/o，configuration请求包中有效，如图。

对于lastDWBE和1stDWBE中的每一个位，为0表示相应的数据字节不被读或写，为1表示相应的数据字节有效。

每个使能位相对应的字节如下。

处理层描述符（transactionDescriptor），用于请求器件和应答器件间转送处理层信息，包括三部分，TransacitonID、Attributes、Trafficclass（TC）。

如下图。

其中TransactionID包括:

RequesterID、Tag，如图。

Tag[7:

0]是由产生请求包的器件生成的，如果请求器件需要应答，则每个Tag[7:

0]和FunctionNumber是独一无二的。

TransactionID是一个全局标识符用于响应包寻址请求器件。

TC的规定如下，描述服务的层次和用于映射虚拟通道：

处理层描述符在请求包中第二个DW：

。

中图中看出，描述字符放在第二个DW的前三个字节中。

三．i/o,memory,configuration,messagerequest、completetion详解。

memory、i/o、configurationrequest包头除了基本的域之外还包括：

TransactionID即requesterID、Tag、LastDWBE、1stDWBE，放在第二个DW中。

以下分别介绍这三种不同的请求包。

memoryrequestpackage：

采用直接地址寻址，有64bit地址和32bit地址两种，其中读请求包的Length域不应大于Max_Read_Request_Size寄存器设置的值。

请求器件不会示例一个所访问的memory空间超过4KB的readrequest包。

以下是两种不同地址长度的memoryrequest包。

I/Orequest包：

I/Orequest包只有32位地址寻址。

有如下限制：

▲                     TC[2:

0]mustbe000b

▲                     Attr[1:

0]mustbe00b

▲                     AT[1:

0]mustbe00b

▲                     Length[9:

0]mustbe0000000001b

▲                     LastDWBE[3:

0]mustbe0000b

格式如下：

可见每次只传送一个DW数据。

configurationrequest包：

configurationrequest包采用ID寻址方式，包头（TlpHeader长度是3DW）。

有如下规定：

•TC[2:

0]mustbe000b

•Attr[1:

0]mustbe00b

•AT[1:

0]mustbe00b

•[9:

0]mustbe0000000001b

•LastDWBE[3:

0]mustbe0000b

包格式：

Message包：

Message包分为：

􀂉INTxInterruptSignalingINTx中断信息包

􀂉PowerManagement电源管理机能。

􀂉ErrorSignaling错误信息包

􀂉LockedTransactionSupport锁住交易的支持

􀂉SlotPowerLimitSupport插槽电源限制的支持

􀂉Vendor-DefinedMessages制造商自行定义信息

所有的Message包都用Msg编码，即不包括数据负荷的Message包，除了Vendor_DefinedMessages和Set_Slot_Power_LimitMessage包，Message包有以下限制：

□     TheMessageCodefieldmustbefullydecoded（Messagealiasingisnotpermitted）.

□     Exceptasnoted,theAttr[1:

0]fieldisreserved.保留Attr域。

□     AT[1:

0]mustbe00b.

□     Exceptasnoted,bytes8through15arereserved.保留包头部分的bytes8到byte15.

□     MessageRequestsarepostedanddonotrequireCompletion.Message包不需要返回响应包。

□     MessageRequestsfollowthesameorderingrulesasMemoryWriteRequests.

寻址方式：

隐含寻址，由Type域中的r[2:

0]决定，即Type域的最后三位。

具体寻址映射如下：

r[2:

0]是010时，寻址方式就是ID寻址。

completionrules（应答机制）：

completion包用ID寻址方式，寻址使用的ID就是request提供的requesterID。

除了那些正常的域以外，还包括：

◆         CompleterID[15:

0]–IdentifiestheCompleter–describedindetailbelow

◆         CompletionStatus[2:

0]–IndicatesthestatusforaCompletion

◆         BCM–ByteCountModified

◆         ByteCount[11:

0]–TheremainingbytecountforRequest

◆         Tag[7:

0]–incombinationwiththeRequesterIDfield,correspondstotheTransactionID

◆         LowerAddress[6:

0]–lowerbyteaddressforstartingbyteofCompletion

compl.Status位有如下含义：

四．请求和应答处理机制

处理机制就是对接收到的经DataLinkLayer进行数据完整性验证的Tlp进行处理。

无效的包将被抛弃，保留字（reserved）将被忽略。

以下是处理流程：

对所有的包分requesthandling和completionhandling，按不同的规范处理。

RequestHandlingRules：

如果请求是一个不支持的请求包，并且需要响应，则CompletionStatus=UR，即不支持的请求。

如果请求包是一个Message包则按Message包处理规则处理，否则对这个request进行处理。

如果请求违反器件编程定义则给出ca响应，即响应器件放弃该请求，否则做出正确应答。

completionhandling：

如果接收到一个completion包的TransactionID和requester的TransactionID不一致则这个应答包是非预期包。

合法的应答包将按Compl.Status域处理并提取有效数据负荷。

五．virtualchannel（vc）Mechanism虚拟通道机制。

虚拟信道（virtualchannel）在总线中提供用TC域来区分的虚拟信息通路，即某一传输通路，有不同的流程控制机制（FlowControl）。

当某流程控制出现拥塞时，其他通路依然畅通。

VC有自己的独立流控制，是实现Qos的秘诀。

VC通道是解决拥塞的基础。

在Switch内部，VC通道机制如下：

每个TLP包并不包含具体的VC信息，VC是由TC映射得到的。

每个器件的TC/VC映射是不同的，TC0/VC0是固定的。

具体TC、VC映射如下：

一个或多个TC映射到一个VC，同一个TC不能映射到不同的VC上，连接双方的映射机制一致。

除了TC0外，其他的可以软件设置。

链路两端的映射方案要一致，如图是一种映射方案。

具体的虚拟通道是由VCID决定和识别的。

现在介绍FlowControl，每个虚拟通道有独立的流程控制的缓冲空间。

在收发双方，流程控制信息是用数据链路包（DLLP）打包发送的，其中的“VCID“就是用来载送虚拟通道的识别。

总的来说，流程控制是由数据交易层（TransactionLayer）搭配了数据链路层（DataLinkLayer）来处理的，只是，处理层通常是针对接收到的TLP打包，生成TC，再由TC映射到VC。

流程控制信息是FCP（FlowControlPackage），即DLLP打包的一种。

流程控制的信用单位是Credit，也就是接收器的缓冲空间是4DW。

信用单位：

就是接收端缓冲空间大小的基本单位。

流程控制能分辨三种包：

postedrequests（p）、non-postedrequests（Np）、completions（cpl）。

还可以分辨三种包的包头Header和数据Data，可以这样说，每个虚拟通道（VC）对应的特定流程控制包含6种不同的流程控制信息：

1、PH=postedRequestHeader；2、PD=postedrequestDataPayload；3、NPH=non-postedrequestHeader；4、NPD=non-postedrequestDataPayload；5、CPLH=completionHeader；6、CPLD=completionDataPayload。

各种包对应的流程控制如下表；

六．dataintegrity数据完整性

主要的数据完整性保证之一是DataLinkLayer中的crc（lcrc）。

为了确保数据端对端的可靠性在Transaction层的TLpDigest域还选择性的做一ECRC校验，ECRC的初值是FFFFFFFF，算法实现如下：

TransactionLayerspecifications只是pcie总线规范的一层规范，主要处理数据包的传送管理，此外还有DataLinkLayer规范和physicalLayer规范。