PCIE基本知识

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• 前言

之前主要都在做FPGA算法层面的东西，最近觉得对于接口方面的知识比较欠缺，打算以PCI-E为例来系统的学习一下接口方面的知识。

• PCI-E全称PCI Express，是一种高速总线技术。各种PCI-E设备通过PCI-E协议互相连接，形成PCI-E系统，其拓扑结构如下所示：

其中，根联合体是连接CPU，主储存器到PCI-E总线结构的设备，相当于PCI系统中的北桥。FSB为Front Side Bus，是连接CPU与北桥的总线。可以根联合体上延伸出多个PCI-E接口。交换开关也可以引出多个PCI-E端口，从而连接更多的PCI-E端点设备。这里的端点设备也类似于显卡等PCI-E设备，可以是网卡，蓝牙设备，硬盘等。PCI-E-PCI桥保证了PCI设备也能接入PCI-E系统，增加了兼容性。

• 下面分析PCI-E的传输协议

PCI-E协议规定采用三层分层协议来实现数据的传输，类似于网络通信中的TCP/IP通信协议，如下图所示：

上图展示了PCI-E设备A喝PCI-E设备B的通信协议，其中设备核和设备核接口可以简单的理解为应用层和应用层的接口，我们主要关心的是下面的三层，即事务层(TL层)，数据链路层(DL层)和物理层(PL层)。

PCI_E设备之间通过数据包的形式进行传输，因此可以将三层的数据包分别表示为TLP(Transcation Layer package)，DLLP和PLP。PCI-E设备发送端首先通过应用层和应用层接口传输TLP对应协议的数据格式给TL层，随后DL层对TLP进行二次打包形成DLLP在传输到PL层，PL层对数据DLLP进行编码后通过模拟信号来进行传输，接收端进行逆向操作得到最后的TLP，并最终解码成应用层需要的数据。

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• TL层为数据添加包头(Header)和ECRC，这里的ECRC表示(End to end CRC)，表示事务层的校验CRC编码。一个TLP如图所示：

Header是TLP的核心部分，其大小主要在3DW或4DW(12字节或16字节，96bit or 128bit)，以4DW(128bit为例)，其DW0~DW3的结构如图所示：

以DW0为例，DW0[9:0]表示数据长度(length)，其最大值为1DW*2^10 = 4KB；DW0[13:12]表示数据包的属性，DW0[13] == 1表示使能PCI-X式的宽松排序，DW0[12] == 1表示不要求系统硬件去监控Cache；DW0[22:20]可以设置TC0~TC7四种不同的状态，默认TC0，用于流量控制；DW0[16] TD==1表示TLP包含ECRC；至于DW0[30:29]的Fmt和DW0[28:24]的Type，主要负责配置寄存器的一些读写请求和配置，如下表所示：

除此之外还有很多字段是根据不同的TLP类型而变化的，具体的可以配置TLP可以查询：PCI_Express_Specification这本PDF第二章。

• DL层介于TL层和PL层，在发送端对TLP进行打包后发送到PL层，接收端则对PL层接包在传输到TL层，一个DL层传输的Package如下图所示：

DL层主要实现了三个功能：数据交换；错误检测/重试；初始化以及电源管理。

在错误检测/重试功能的实现中，DL层通过为TLP添加了Sequence Number和LCRC来实现。需要注意的是，PCI-E 设备B的DL层在接收到对应的Package时需要，返回一个应答包来确认或否定确认，即Ack/Nak DLLP，如下所示：

除此之外，根据不同的用途，DLLP可以分为很多种，大致可以分为四种常用类型，即对TLP的应答包—Ack/Nak DLLP，电源管理DLLP，流控制DLLP以及厂商自定义DLLP，分别如下所示：

其中，Ack/Nak DLLP中的Ack和Nak分别表示确认Sequcence Number——成功收到一定数量的TLP和否定确认Sequcence Number——来启动重试功能；fig3-6中的FC1表示流控制(Flow Control)；fig 3-9中的PM表示Power Management。关于Byte 0[31:24]表示DLLP Type字段，其各个字段的编码以及对应功能如下标所示：

除了上述功能，DL层还提供了数据完整性检查和CRC校验等功能，具体可以参考 PCI_Express_Specification第三章。

• 发送端PL层将DL层过来的package进行编码并发送，其中涉及逻辑子模块和电气子模块。逻辑子模块将上层的数据处理后送入电气层，在逻辑层对上层传输过来的Package进行的操作主要是添加一个帧头和帧尾：

一个完成的PCI-E发送-接收模型如下图所示：

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PCI_E协议的总体介绍到这里就告一段落了，如果以上协议的逻辑部分通过FPGA去纯撸代码实现感觉还是比较困难的，后面有空再去研究一下xilinx 的IP实现。