浅析PCIe链路LTSSM状态机

我们知道，在PCIe链路可以正常工作之前，需要对PCIe链路进行链路训练，在这个过程中，就会用LTSSM状态机。LTSSM全称是Link Training and Status State Machine。这个状态机在哪里呢？它就在PCIe总线的物理层之中。

LTSSM状态机涵盖了11个状态，包括Detect, Polling, Configuration, Recovery, L0, L0s, L1, L2, Hot Reset, Loopback, Disable。这11个状态之间转换的逻辑，如下图，

这11个状态大致可以分为4大类：

(1) PCIe链路训练相关。正常的PCIe链路训练状态转换流程依次是，Detect->Polling->Configuration->L0. L0是PCIe链路可以正常工作的电源状态。

(2) PCIe链路重新训练相关。这个状态也称为Recovery。Recovery是一个非常重要的链路状态，进入这个状态的因素也很多，比如电源状态的变化，PCIe链路速率的变化等。

(3) 电源状态相关。PCIe总线的电源状态主要有两部分的内容。

• 一是基于软件控制的PCI-PM电源管理机制，是系统软件通过修改寄存器中的电源管理字段，使PCIe设备进入D状态：D0，D1，D2，D3.

• 二是基于硬件控制的ASPM(=Active State Power Management)电源管理机制，是基于硬件自主控制的链路电源管理机制，只有在PCIe设备处于D0状态是才可以启动ASPM机制，另外，与ASPM有关的链路状态有L0s，L1(包括L1.1和L1.2).

(4)其他相关。比如Hot Reset, Link Disable, Loopback等。

我们接下来对这11个状态分别作一个简单的介绍。

Detect

这是物理层的初始状态，仅在Gen1 2.5 GT/s速率下使用，或是从数据链路层转换而来，或是在reset之后，或者从其他状态(Disable, Polling, Configuration,Recovery等)转换。总之，Detect状态是PCIe链路训练的开端。此外，Detect，顾名思义，需要实现检测工作。因为在这个状态时，发送端TX需要检测接收端RX是否存在且可以正常工作，如果检测正常，才能进入其他状态。Detect状态主要包含了两个子状态：Detect.Quiet和Detect.Active.

(1)从其他状态或者Reset之后，物理层从Electrical Idle开始，此时，处于Detect.Quiet;

(2)当超过12ms或者所有Lane均退出Electrical Idle时，则从Dectect.Quiet转换进入Detect.Active。在这个状态就会开启检测RX工作。

判断RX是否存在的逻辑比较简单，就是通过一个“Detect logic”电路比较RC时间常数的大小。

(1) 当RX不存在时，RC时间常数较小。

(2) 当RX存在时，RC时间常数较大。

Polling

这个状态的目的是"对暗号"，实现无障碍沟通。进入这个状态后，TX和RX之间通过发送TS1、TS2 OS序列来确定Bit Lock, Symbol Lock以及解决Lane极性反转的问题。

Bit Lock: 在Bit传输过程中，RX PLL锁定TX Clock频率，这个过程称为RX实现"Bit Lock"。

Symbol Lock: RX端串并转化器知道如何区别一个有效的10-bit Symbol，这个过程称为“Symbol Lock”. 这里用到的是COM控制符。

Polling状态主要包含了三个子状态：Polling.Active, Polling.Configuration, Polling.Compliance.

(1) Polling.Active:这是链路从Detect退出后进入的状态，在这个状态下，发送端需要在所有Lane至少发送1024个TS1序列，因为接收端需要通过接收到的TS1序列来实现Bit/Symbol Lock. 由于发送端和接收端不是同时退出Detect状态，所以，TS1序列交流可能不会同步。此时，链路出于Gen1(2.5GT/s), Symbol time=4ns(10b/2.5Gb/s), 发送1024个TS1序列(16 symbols)至少需要64us(1024*16*4ns).

(2) Polling.Configuration: 当发送端TX发送完至少1024个TS1并且接收端RX连续收到8个TS1或者TS2，此时TS1和TS2中的Link/Lane区域由PAD填充， 那么，链路进入Polling.Configuration状态。处于此状态，发送端停止发送TS1序列，改为发送TS2序列，此时Link/Lane区域仍然由PAD填充，这个过程也会完成极性反转的问题，为进入下一个状态作准备。

(3) Polling.Compliance: 这个状态主要是通过发送不同的Pattern来测试发送端以及设备连接是否符合Spec要求。

Configuration

这个状态工作内容很简单，就是通过发送TS1、TS2来确定Link/Lane number. 如下图，Configuration包含了6个子状态：Configuration.LinkWidth.Start,Configuration.LinkWidth.Accpet,Configuration.Lanenum.Wait,Configuration.Lanenum.Accpet,Configuration.Complete, Configuration.Idle.

由于Configuration状态下，发送端和接收端已经确认可以正常通信，所以，我们结合实例来看一下Downstream和Upstream的状态转换过程。

(1) Link Number Negotiation

Downstream在TS1中设定Link number, 此时Lane number=PAD，并发送给Upstream.

而Upstream回的第一个TS1中，Link num仍然是PAD。此时，Upstream也处于Configuration.LinkWidth.Start状态。

之后Upstream回的TS1中Link number则是设定值，此时, Upstream率先进入Configuration.LinkWidth.Accept状态。

到这里，Link Number Negotiation就完成了。

(2) Lane Number Negotiation

当Downstream看到Upstream返回的TS1中Link number已经是设定值，那么就认为Link num已经协商成功，然后就开始准备设定Lane number，此时Downstream链路也接着进入Configuration.LinkWidth.Accept状态. 由于在录这个Trace时有过滤重复的TS序列，所以，我们看到一个TS1序列对应了三个状态：Configuration.LinkWidth.Accept，Configuration.LaneNum.Wait，Configuration.LaneNum.Accept. 这个三个状态发送的TS1序列一样，Link number和Lane number都已设定。

当Upstream收到Downstream设定Lane number的TS序列之后，也很快进入了Configuration.LaneNum.Accept状态。

与Lane number相关的三个状态之间相互转换逻辑如下：Downstream Vs Upstream.

到这里，双方Lane number协议就完成了。

(3) Confirm Lane/Link Number

最后一步，过程就很简单了，双方通过发送TS2序列，对之前设定的Link/Lane number进行确认，这个过程，LTSSM处于Configuration.Complete. 确认没有问题之后，就准备进入下一个状态。

L0

当进入这个状态时，PCIe链路就可以愉快的开始正常工作了。这个状态可以传输TLP，DLLP等报文。

Recovery

当PCIe链路需要重新训练时，进入Recovery状态。主要有以下几种情况：

(1) PCIe链路信号发现error，需要调整Bit Lock和Symbol Lock;

(2) 从L0s或者L1低功耗电源状态退出;

(3) Speed Change。因为第一次进入L0状态时，速率是2.5GT/s. 当需要进行速率调整5.0GT/s或者8.0GT/s时，需要进入Recovery状态进行Speed Change. 这个阶段，Bit Lock、Symbol Lock等都需要重新获取;

(4) 需要重新调整PCIe链路的Width;

(5) 软件触发retrain操作;

(6) 仅在Gen3和Gen4，需要重新进行Equalization。

Recovery子状态转换逻辑如下图：

我们结合一个上电过程中Gen1提速至Gen3的时序来解读一下Recovery状态的转换，如下图：

a. Downstream率先进入Recovery.RcvrLock状态, 之后向Upstream持续发送TS1并且将speed_change bit设置为1;

b. Upstream端看到TS1进来之后，也跟着进入Recovery.RcvrLock状态，同时回传TS1序列，不过此时，speed_change bit仍为0. 当Upstream接收达到连续8个TS1且speed_change bit设置为1，这时，Upsteam回传的TS1、TS2中speed_change bit设置为1，并告诉Downstream建议工作速率，接着进入Recovery.RcvrCfg状态;

c. Downstream收到Upstream建议的速率反馈之后，也返回TS2序列，并发送EIOS序列，准备进入Electrical Idle. 此时，LTSSM处于Recovery.RcvrCfg状态;

d. 之后，Downstream和Upstream相继进入Electrical Idle, LTSSM处于Recovery.Speed状态;

e. 经过一段时间timeout(Spec要求至少800ns, 小编这个Trace中是~8us),Upstream发送EIEOS, 退出Electrical Idle, 尝试跑最高速率8GT/s;

f. 接着Downstream也退出Electrical Idle, 尝试跑试跑最高速率8GT/s;

g. 最后，双方开始进行EQ。EQ之后，PCIe链路就可以回到正常工作状态。

L0s/L1/L2

这三个状态，主要是低功耗电源管理状态，在这里不再展开了，具体可以参考Spec.

Hot Reset

当某个PCIe设备发生错误时，我们有时候需要通过软件的方式对设备进行复位，这个方式就是Hot Reset。可以通过设置Bridge Control寄存器中的Secondary Bus Reset来触发Hot Reset.

Hot Reset的指令是在TS1序列中体现，如下图，

Hot Reset触发之后，LTSSM会进入Recovery和Hot Reset状态，之后会到Detect状态，PCIe链路开始重新训练。

Disabled

用户可以通过设置修改Link Control寄存器，让PCIe链路出于Disabled状态。

另外，如果我们把设备移除之后，同样也进入Disabled状态。

当退出Disabled状态后，LTSSM回到Dectect，PCIe链路重新训练。

Loopback

这个状态仅用于debug测试，一般情况不会遇到，在这里不再展开，有兴趣的话可以参考PCIe Spec.

 

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