PCIe（三）—— PCIe协议栈，事务层和数据链路层

在上一篇中，我们介绍了PCIe设备的配置空间，及其设计的目的，最后我们说到了消息路由的设计。所以，这一篇我们就继续这个话题，来看看PCIe设备之间的通信方式吧。

1. PCIe协议栈

PCIe是以包（Packet）为单位传输数据的。和计算机网络类似，其协议也是分层的。其协议栈主要分为三层：物理层（Physical Layer），数据链路层（Data Link Layer）和事务层（Transaction Layer），如下图所示：

2. 事务层（Transaction Layer）

PCIe的协议栈最上层叫做事务层，这一层定义了所有和用户相关的PCIe的操作，所以这也会时大家最感兴趣的一层。

2.1. 事务（Transaction）

PCIe的所有操作都被称为一个事务（Transaction），这些事务分为四种类型：

• 内存事务（Memory Transaction）
• IO事务（IO Transaction）
• 配置事务（Configuration Transaction）
• 消息事务（Message Transaction）

一个事务根据其请求的处理方式又被分为两种：

• Non-Posted：每个事务的请求消息发送出去后，会需要一个完成消息（Completion）来完成事务。比如，读内存。
• Posted：请求发送后不需要完成消息，属于Fire and forget。比如，写内存和所有的消息事务（这也是唯二的两类请求）

所以，事务层的消息有三类：Non-Posted（NP），Posted（P）和Completion（Cpl）。

2.2. TLP（Transaction Layer Packet）

PCIe的事务请求和完成消息都是以TLP（Transaction Layer Packet）为单位传输的。其结构如下：

• TLP Prefix：用来实现一些高级特性，比如精确时间测量（Precision Time Measurement），因为它不是必须的，所以我们先跳过。
• TLP Digest：4个字节，可以存放诸如CRC的校验码，不过一般不需要开启，因为后面说的数据链路层已经自带了校验了，这里相当于是双保险。
• TLP Header：这个是TLP中最重要的部分，我们后面马上会详细介绍。
• TLP Payload：这个是TLP中的数据部分，根据不同的事务类型，其大小也不同。比如，读事务就不需要Payload。另外Payload的大小也是有限制的，它不能超过Max_Payload_Size，最大为4096字节。

2.2.1. TLP头

TLP的头部根据处理地址长度的不同，会有12字节（称为3DW）或者16字节（称为4DW）宽。其前4个字节（第一个DW）是公共的头部，包含了绝大部分的用于描述该事务本身的信息和行为的字段，其后的8个字节（第二个和第三个DW）会根据事务种类的不同而产生变化。其前四个字节如下：

• Fmt: TLP头的格式
  • Bit 7：如果是1，则Fmt必须是100，表示这个头是TLP Prefix
  • Bit 6：1 = 读事务（TLP头之后没有Payload），0 = 写事务（TLP头之后有Payload）
  • Bit 5：1 = 使用32位地址，头部长度12字节（3DW Header），0 = 使用64位地址，头部长度16字节（4DW Header）
• Type：事务类型，表示这个事务是什么类型的事务，比如内存事务、IO事务、配置事务、消息事务等
• LN（Lightweight Notification）：用于标识当前这个内存请求或者完成消息是不是一个轻量级通知
• TH（TLP Hints）：用于表示TPH（TLP Processing Hint）是否启用和TPH TLP Prefix是否存在
• TD（TLP Digest）：1 = 有TLP Digest，0 = 没有TLP Digest
• EP（Error Poisoning）：1 = 有错误，0 = 没有错误
• AT（Address Translation）：虚拟化相关的字段，00 = 无地址转换，01 = 需要地址转换，10 = 地址转换已完成，11 = 保留
• Length：Payload的长度，单位为DW（Double Word），1DW = 4字节

这里由两个字段TC和Attr我们没有介绍，因为它们是事务描述符的一部分，我们马上就会介绍。

2.2.2. 事务描述符（Transaction Descriptor）

为了帮助通信的双方知道对方的信息和对消息的处理方式进行描述，在TLP的头中有几个公共的字段，合在一起被称为事务描述符：事务ID（Requester ID和Tag两个字段），消息的属性（Attr字段），流量分类（TC字段）。虽然TLP头中第二个DW开始的部分会随着请求类型的不同而发生变化，但是这四个字段几乎会在所有的消息中存在（某些情况下Tag会被忽略），所以这里我们用一个内存请求的消息来做例子，展示它们在TLP中的位置：

2.2.2.1. 事务ID（Transaction ID）

事务ID由Requester ID和Tag两个字段组成，用于标识一个事务。其中，

• Requester ID：一共16个bit，用于标识发起这个事务的设备，是请求发起者的BDF
• Tag：一共10个bit，每个发出的TLP都会被赋予一个唯一的标签，帮助PCIe进行数据传输的跟踪和管理，比如并行处理，流控或乱序处理。这里注意T8和T9两个bits，它们和其他的tag的bits不在一起（绿色高亮），且需要修改10-Bit Tag Requester Enable配置寄存器启用

2.2.2.2. 消息属性（Attributes）

消息属性一共有三个bits：高两位 Attr[2:1]（Byte 1 - Bit 2，Byte 2 - Bit 5）用于控制消息处理的顺序，而最低位 Attr[0]（Byte 2 - Bit 4）用于控制Coherency。

2.2.2.2.1. 消息处理顺序（Ordering）

Attr[2:1]这两个Bits用于控制消息处理的顺序，一共有四种情况：

Attr[2]	Attr[1]	顺序类型	说明
0	0	强制顺序	默认值，不允许乱序处理
0	1	Relaxed Ordering	允许接收者在当前请求没有完成的时候，同时处理任何后续的请求
1	0	ID-based Ordering	允许接收者在当前请求没有完成的时候，同时处理来自其他设备的请求
1	1	无序	相当于是Relaxed Ordering和ID-based Ordering的并集，允许接收者在当前请求没有完成的时候，同时处理任何的请求

2.2.2.2.2. No Snoop

NoSnoop（Attr[0]）使用来控制缓存一致性的。默认的情况下（值为0），PCIe会对请求进行缓存一致性的处理，比如一个内存的读请求，它会保证先去读Cache，如果没有读到再去读主内存。但是如果这个值为1，PCIe就会直接跳过Cache，去操作主内存。这样就有可能导致一致性的问题，因为有可能Cache中的内容还没有被写入主内存中，这样就读到了错误的值。

但是，这并不代表这个flag没有用，如果我们非常确定我们不需要考虑缓存，那么我们可以启用这个flag，直接去操作主内存，从而提高性能。

当然，也正因为有一致性的问题，所以这个功能被很多事务禁止使用了：比如配置事务、IO事务、大部分的消息事务和MSI（跳过缓存发起中断会导致DMA等功能出错，读到脏数据）等。

2.2.2.3. 流量分类（Traffic Class）

Traffic Class总共有3个bit，用于把所有的事务分成8个不同的类别，用于流控。

基于TC的流控是通过和VC（Virtual Channel）合作来实现的：

1. PCIe中的所有物理链路（Link）都可以创建多个VC（Virtual Channel），而每个VC都独立工作，并有着流量控制机制。
2. 一个或者多个TC可以被映射到一个VC上，这样就可以通过操作TLP的TC来控制TLP走的VC了。
3. VC通过信用机制来控制发包速度，每个VC都有着自己的Credit Pool，如果一个VC的Credit不为0，那么它就可以发送TLP，并且消耗特定的Credit。每个VC的Credit也会在特定的时候补充，保证通信不会中断。
4. TC的默认值是0，也是所有设备必须实现的。它被Hardcoded到了VC0上，所以如果没有设置TC，那么所有的TLP都会走VC0。
5. 最后，如果两个包有了不同的VC，或者不同的TC，那么它们之间将没有顺序的保证。

这里我们主要了解TC到VC的映射就好，关于VC的具体机制，我们会在后面数据链路层介绍。以下是一个TC和VC相互合作的配置的例子。通过这种方法，我们就可以对PCIe进行流量控制啦！

2.3. TLP事务路由

有了事务ID，我们可以很容易的了解当前事务的源是谁，然而为了能让通信双方通信，我们还需要知道事务的目的地是哪里，这样我们才能把事务发送到正确的地方。

在PCIe中，不同类型的事务中会使用不同的字段和方法来指定目的地，但是总结起来只有两种：

1. 通过具体的地址来指定目的地：这种路由方式叫做基于地址的路由（Address-Based Routing）。这种方式主要用于内存事务（Memory Transaction）和IO事务（IO Transaction），通过需要访问的地址，我们就可以通过我们上一篇中介绍的路由机制来进行路由了。

   

2. 通过BDF来指定目的地：这种路由方式叫做基于ID的路由（ID Based Routing）。这种方式主要用于非内存访问型的事务，比如：配置事务（Configuration Transaction），消息事务（Message Transaction）和事务完成的消息通知（Completion）。

   

   另外，我们上一篇还提到了一种特殊的ID分配方式ARI（Alternative Routing ID），它的唯一区别就是把Device Number的5个Bit给了Function Number，用以支持更多的Function，如下：

   

2.4. TLP小结

好了，到此我们已经把最核心的TLP的公用字段都介绍完毕了，包括TLP主题格式，事务如何分类，如何路由，如何进行流控等等。这里，为了再来整体的来看一下事务层的处理，我们可以参照Intel Cyclone 10的总体框图，如下：

当然在TLP的头中，我们仍然有很多字段没有涉足，这些字段都和具体的事务类型相关，所以我们在这一篇中就不会过多的深入了。毕竟，我们这一篇主要是想聚焦在PCIe的通信协议本身上，来展示PCIe是如何进行通信的，关于每个具体的事务及其格式，我们会放在后面单独的说。

3. 数据链路层（Transaction Layer）

当事务层将事务消息准备好之后，就会向下传递给数据链路层（Data Link Layer）。对于我们发送的事务消息来说，数据链路层主要负责一件事情：保证事务消息能正确的传输到目的地。

数据链路层传输的包主要包括两种，一种用于传输TLP事务消息，一种用于传输数据链路层的控制消息，比如功能（Feature）控制，流量控制，电源管理等等。这两种类型的包通过物理层的Token来进行区分：STP（Start of TLP）表示TLP消息，SDP（Start of DLLP）表示控制消息（DLLP，Data Link Layer Packet）。我们这里一个一个来看。

3.1. TLP事务消息的传输

3.1.1. 数据包格式和数据发送

为了达到这个目的，数据链路层会对数据包再进行一层封装：

1. 在包的前方添加一个序列号（Sequence Number），占用2个字节，用于保证包发送的顺序。这个序列号是每个Link独立的，只有上下游两端保存的序列号（NEXT_RCV_SEQ）一致，才会被对端接收。
2. 在包的后方添加一个CRC校验码，叫做LCRC（Link CRC），占用4个字节，用于保证包中数据的正确性。注意，计算CRC的时候，刚刚添加的序列号也会被纳入计算范围中。

封装完成后，为了保证成功的发送，数据链路层会先将包保存在Retry Buffer中，再转交给物理层（Physical Layer）进行发送。在每条消息发送完毕之后，发送方会等待接收方发送ACK消息，如果接收到的返回消息是失败消息，比如Seq错误，CRC校验错误，或者任何物理层的错误，发送方就会把Retry Buffer中的消息拿出来重新发送。[1]（3.6 Data Integrity Mechansisms） 。

3.1.2. 数据接收

对于数据的接收方，操作流程则相反。接收方会检查接收到的数据包的序列号和CRC是否正确，如果不正确，就会发送一个Nak消息，要求发送方进行重传。如果正确，就会回发一个Ack消息，表示接收成功，而此时发送方在收到了ACK消息后也可以将其从Retry Buffer中移除。这样，数据链路层就保证了TLP的正确传输。 [1]（3.6 Data Integrity Mechansisms） 。

更加具体的数据接收处理流程如下：

3.2. 控制消息：DLLP（Data Link Layer Packet）

除了传输TLP数据包之外，数据链路层还需要很多专门用于控制的数据包，比如上面提到的Ack和Nak，这些数据包叫做DLLP（Data Link Layer Packet）。其格式如下：

DLLP中DLLP Type用来指定包的类型，而最后16位的CRC用来做校验，其主要分为以下几种类型：

名称	Type	描述
Ack	00000000b	用于确认接收到的TLP数据包
Nak	00010000	用于拒绝接收到的TLP数据包
<InitFC1/InitFC2/UpdateFC>-<P/NP/Cpl>	（Type较多，后面来说）	用于流量控制，P/NP/Cpl表示流控类型
MRInitFC1/MRInitFC2/MRUpdateFC	<0111/1111/1011>0xxxb	用于流量控制，P/NP/Cpl表示流控类型
PM_*	00100xxxb	用于电源管理，告知对端当前的电源状态
NOP	00110001b	用于保持链路活跃，防止链路被关闭
Data_Link_Feature	00000010b	用于告知对端当前链路的特性，如支持Scaled Flow Control
Vendor-specific	00110000b	用于支持厂商自定义的DLLP，实现厂商特有功能

3.2.1. Ack/Nak

我们在TLP事务消息传输的里就提到过Ack和Nak消息，它们可以说是DLLP中最常用的消息了。功能顾名思义，Ack表示接收成功，Nak表示接收失败，需要重传。这两个包的格式如下：

其中，AckNak_Seq_Num表示当前已经收到的最新的消息序号，所以和TCP类似，PCIe的Ack和Nak可以进行批量操作：无论是Ack还是Nak，当发送方收到这个消息之后，就可以将Retry Buffer中比这个序号老的消息全部移除了，所以Ack/Nak时只需要将最新的序号带上即可。Ack/Nak的差别在于：如果是Nak，那么发送方在移除之后，需要对Retry Buffer中这个序号之后的消息全部进行重传。

最后，DDLP的重传是由次数限制的，默认阈值是4次。如果超过四次，就出触发物理层开始重建（retrain）链路。如果依然失败，就会将该链路关闭。

3.2.2. VC（Virtual Channel）与流量控制

在说TLP的时候，我们提到了PCIe的流量控制是通过将TC（Traffic Class）映射到VC（Virtual Channel），并且利用VC的信用机制来实现的。这里我们就一起来看看这个信用机制吧！

数据链路层中的信用额度管理有两个重要的特点：

1. 不同处理方式是的TLP消息有着单独的信用额度管理：Posted（P），Non-Posted（NP）和Completion（Cpl）。这三种消息的信用额度是独立的，互不影响。
2. 每个VC都有着自己的独立的信用额度管理，而不是Link。也就是说，如果一个Link上有多个VC，那么每个VC都需要单独的初始化和更新。

参与流量控制的消息有很多，主要有三类，每一类有三个变种（N/NP/Cpl），我们的流量控制也主要分三步，其细节和统一的消息格式如下：

• InitFC1-P/NP/Cpl：接收端设备使用此消息向发送端发起初始化流量控制的流程，并初始化信用额度，这是第一步。这个消息有接收端发起的原因是因为，不同的接收端能力不同，所以应该由接收端根据自己的能力，比如缓存的大小，来决定信用额度的大小。
• InitFC2-P/NP/Cpl：用于发送端向接收端确认InitFC1的消息，这是第二步。这个消息中会带有从第一步接收到的信用信息，但是它会被接收端忽略，并没有什么用。另外，这个消息发送之后，发送端将不会再理会任何后续的InitFC1消息了。
• UpdateFC-P/NP/Cpl：用于在信用额度初始化完成之后，接收端向发送端对信用额度进行更新。

这个消息中各个字段含义如下：

• Type：消息ID，映射如下：

  Type	Id
  InitFC1-P	0100b
  InitFC1-NP	0101b
  InitFC1-Cpl	0110b
  InitFC2-P	1100b
  InitFC2-NP	1101b
  InitFC2-Cpl	1110b
  UpdateFC-P	1000b
  UpdateFC-NP	1001b
  UpdateFC-Cpl	1010b

• VC ID（v[2:0]）：Virtual Channel的Id，Id一共有3位，代表8个VC。

• HdrFC：TLP头部的Credit数量。在发送时，一个TLP头对应着一个Header Credit，不论该TLP的大小如何。

• DataFC：TLP数据部分的Credit数量。一个 DW（Double Word，双字，即4字节）对应着一个Data Credit。

举个例子，我们假设有一个64位地址的内存的写请求，数据长度为128字节，那么我们会需要发送一个4 DW的TLP头，加上128字节的Payload，和一个1 DW可选的TLP Digest，所以我们一共最多消耗1个Header Credit，和 (128 + 4) / 4 = 33个Data Credit。

然后，为了保证发送方正常的消息发送，当接收方处理完部分消息后（或者一些特殊情况后），就会根据其当前缓存的大小，向发送方发送UpdateFC消息，告诉发送方，接收方的信用额度还剩下多少。另外，除了这种情况，接收方还会定时的向发送方上报自己的信用额度（最长间隔30us），这么做的原因是为了避免意外情况，如CRC校验出错，导致信用额度上报丢失，从而导致发送方停止发送消息的问题。

最后，数据链路层还支持Scaled Flow Control，即信用额度的数量可以是2的幂次方，这样就可以管理更大的信用额度了：

为了帮助理解，我们举一个例子：

注意：如果查看原始的包，在计算时需要注意，HdrFC和DataFC都没有对其到字节上，所以记得做好位运算。

1. 首先，PCIe的Endpoint会向Switch发送如下三条消息来进行流控初始化：

2. 当Switch收到这个消息后，也会向Endpoint发送三条类似的消息，进行反向的初始化。因为流程类似，从这里开始，之后Switch向Endpoint发送的反向流程我们就忽略了。

3. Switch收到了InitFC1 DLLP后，会使用InitFC2 DLLP进行确认：

到此，等两边InitFC2的消息交换完毕之后，初始化就完成了！

3.3. 数据链路层小结

最后为了帮助理解，我们再来看一下数据链路层的整体架构：

到这里，数据链路层上和数据传输相关的核心内容就都介绍完了！数据链路层中其实还有很多其他的内容，比如Link的初始化，状态机，电源管理，和Vendor-specific DLLP等等，这些内容我们这里就不详细介绍了，有兴趣的读者可以自行查阅PCIe Spec [1]。

4. 小结

好了，由于篇幅原因，我们这一篇就先到这里。这一篇中我们介绍了PCIe的协议栈，并且详细的介绍了事务层（Transaction Layer）和数据链路层（Data Link Layer）是如何工作的，包括事务的分类，各种消息的格式，数据链路层的作用和封装，以及PCIe基于TC和VC的流控机制。

在下一篇中，我们会继续介绍PCIe协议栈中遗留的部分 —— 物理层（Physical Layer）。

5. 参考资料

• [1]: PCI Express Base Specification
• [2]: OSDev WIKI - PCI
• [3]: Mindshare - An Introduction to PCI Express
• [4]: Wikipedia - PCI Express

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同系列文章：

• PCIe（四）—— 物理层
• PCIe（三）—— PCIe协议栈，事务层和数据链路层
• PCIe（二） —— 配置空间
• PCIe（一） —— 基础概念与设备树

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