PCIE数据链路层架构解析

以下文章来源于LPIoT，作者水鸟LPIoT

Pcie数据链路层

PCIe的数据链路层在事务层和物理层之间，用来负责链路管理，其主要功能是保证来自事务层的TLP在PCIe链路中的正确传输，为此数据链路层定义了一系列的DLLP报文，数据链路层使用了容错和重传机制保证数据传输的完整性和一致性（TLP ACK/NAK），此外数据链路层还需要对PCIe链路进行管理（电源管理）和监控（流量控制）。

与事务层不同的是，数据链路层主要处理端到端（同一条PCIe物理链路相邻两端设备的发送端和接收端）的数据传输；而事务层是源设备和目标设备之间的数据传输（源设备与目标设备之间传输距离更长，可能经过多个Switch并有多条PCIe物理链路）。此处类似于网络通讯的概念，链路层通讯在直接物理相连的设备端口进行，网络层通讯可以跨过多个设备进行。

数据链路层结构

数据链路层使用ACK/NAK协议发送和接收TLP（事务层报文），由发送部件和接收部件组成（每个PCIe设备的数据链路层包含了这两部分，而两个PCIe设备间的通信是发送部件和接收部件成对实现的），如下图所示；

发送部件由1.Replay Buffer、2.ACK/NAK DLLP接收逻辑和3.TLP接收逻辑组成；

接收部件由1.“Error Check”逻辑、2.ACK/NAK DLLP发送逻辑和3.TLP发送逻辑组成。

PCIe总线数据链路层使用Replay Buffer和Error Check部件共通保证数据传输的可靠性和完整性；来自事务层的TLP先暂存在Replay Buffer中，然后发送到目标设备；源设备的数据链路层根据来自目标设备的ACK/NAK DLLP报文来决定是重发这些TLP，还是清除存放在Replay Buffer中的TLP。

1.Replay Buffer的大小决定过了事务层可以暂存在数据链路层的报文数量；

2.PCIe设备使用Error Check检查接收到的TLP，并决定如何向对端设备进行报文回应；

数据链路层状态

数据链路层需要通过物理层来监控PCIe链路状态，并维护数据链路层的“控制与管理状态机”（Data Link Control and Management State Machine，DLCMSM），可以从物理层获得与当前PCIe链路相关的状态，如下图所示：

DLCMSM主要包含三个状态：DL_Inactive、DL_Iinit、DL_Active

DL_Inactive状态：物理层通知数据链路层当前PCIe链路状态不可用，没有检测到PCIe链路的对端连接了PCIe设备；PCIe设备从复位状态进入DL_Inactive状态时，进行如下操作：

（1）对PCIe数据链路层进行彻底复位：将与PCIe链路相关的寄存器置为复位值，并丢弃在Replay Buffer中保存的所有报文；

（2）数据链路层向事务层提交DL_Down状态信息；

（3）丢弃来自数据链路层和物理层的所有TLP，不再接收对端设备发送的DLLP；

（4）如果PCIe链路对端有PCIe设备相连，则物理层的LinkUp状态位为1，且事务层并未禁止当前PCIe链路时，数据链路层将从DL_Inactive状态迁移到DL_Init状态。

（5）如果PCIe链路对端不存在PCIe设备，则物理层的LinkUp状态位为0，此时数据链路层一直处于DL_Inactive状态。

2.DL_Iinit状态：物理层通知数据链路层当前PCIe链路可用（LinkUp = 1），且物理层正处理链路初始化状态，此时数据链路层不能接收或发送TLP和DLLP；

3.DL_Active状态：当前PCIe链路处于正常工作模式，物理层已完成PCIe链路训练（LTSSM）；此时数据链路层可以从事务层和物理层正常接收和发送TLP，并处理DLLP。在多数情况下数据链路层从DL_Active状态迁移到DL_Init状态，意味着处理器系统出现了异常，系统软件需要处理这些异常；但如下情况的状态迁移不会引发异常。

DLCMSM除了从物理层获得当前PCIe链路状态外，还可以使用状态位向事务层报告数据链路层所处的状态；如上图所示，当数据链路层收到物理层的状态信息后，DLCMSM状态机将进行状态转换，并向事务层通知PCIe链路的状态。

1.DL_Down：数据链路层处于该状态时，表示PCIe链路暂时没有检测到对端连接设备（并非对端不存在物理设备）；当数据链路层处于DL_Inactive时，该状态位有效；

2.DL_Up：数据链路层处于该状态时，表示PCIe链路的对端连接了设备；当数据链路层处于DL_Acive状态时，该状态位有效。

事务层对DL_Down/Up状态的处理

当事务层收到数据链路层的DL_Down状态信息时，则说明出现了如下状况：

1.PCIe链路的对端没有连接设备；

2.PCIe链路丢失了对端设备的连接；

3.数据链路层和物理层出现了某种错误，PCIe链路不能正常工作；

4.系统软件禁用PCIe链路。

事务层受到DL_Down状态信息后：

1.将不再从数据链路层中接收TLP，除了已经使用ACK/NAK报文确认过的TLP；

2.RC或Switch的下游端口将复位与链路相关的内部逻辑和状态；

3.Switch和Bridge的上游端口将复位相关的内部逻辑和状态，并丢弃正在处理的TLP；

——此时Switch和PCIe桥使用Hot Reset方式复位所有下游端口。

以上是《PCIE数据链路层整体架构》，敬请关注后续内容