《PCI Express体系结构导读》随记 —— 第II篇 第4章 PCIe总线概述（6）

接前一篇文章：《PCI Express体系结构导读》随记 —— 第II篇 第4章 PCIe总线概述（5）

4.1 PCIe总线的基础知识

与PCI总线不同，PCIe总线使用端到端的连接方式，在一条PCIe链路的两端只能各连接一个设备，这两个设备互为数据发送端和数据接收端。PCIe总线除了总线链路外，还具有多个层次，发送端发送数据时将通过这些层次，而接收端接收数据时也使用这些层次。PCIe总线使用的层次结构与网络协议栈较为类似。

4.1.3 PCIe总线的层次结构

PCIe总线采用了串行连接方式，并使用数据包（Packet）进行数据传输，采用这种结构有效去除了在PCI总线中存在的一些边带信号，如INTx和PME#等信号。在PCIe总线中，数据报文在接收和发送过程中，需要通过多个层次，包括事务层、数据链路层和物理层。PCIe总线的层次结构如图4-4所示：

PCIe总线的层次组成结构与网络中的层次结构有类似之处，但是PCIe总线的各个层次都是使用硬件逻辑实现的。在PCIe体系结构中，数据报文首先在设备的核心层（Device Core）中产生；然后再经过该设备的事务层（Transaction Layer）、数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer）；最终发送出去。而接收端的数据也需要通过物理层、数据链路和事务层，并最终到达Device Core。

1. 事务层

事务层定义了PCIe总线使用总线事务，其中多数总线事务与PCI总线兼容。这些总线事务可以通过Switch等设备传送到其他PCIe设备或者RC。RC也可以使用这些总线事务访问PCIe设备。

事务层接收来自PCIe设备核心层的数据，并将其封装为TLP（Transaction Layer Packet）后，发向数据链路层。此外事务层还可以从数据链路层中接收数据报文，然后转发至PCIe设备的核心层。

事务层的一个重要工作是处理PCIe总线的“序”。在PCIe总线中，“序”的概念非常重要，也较难理解。在PCIe总线中，事务层传递报文时可以乱序，这为PCIe设备的设计制造了不小的麻烦。事务层还使用流量控制机制保证PCIe链路的使用效率。

2. 数据链路层

数据链路层保证来自发送端事务层的报文可以可靠、完整地发送到接收端的数据链路层。来自事务层的报文在通过数据链路层时，将被添加Sequence Number前缀和CRC后缀。数据链路层使用ACK/NAK协议保证报文的可靠传递。

PCIe总线的数据链路层还定义了多种DLLP（Data Link Layer Packet），DLLP产生于数据链路层，终止于数据链路层。值得注意的是，TLP与DLLP并不相同，DLLP并不是由TLP加上Sequence Number前缀和CRC后缀组成的。

3. 物理层

物理层是PCIe总线的最底层，将PCIe设备连接在一起。PCIe总线的物理电气特性决定了PCIe链路只能使用端到端的连接方式。PCIe总线的物理层为PCIe设备间的数据通信提供传送介质，为数据传送提供可靠的物理环境。

物理层是PCIe体系结构最重要、也是最难以实现的组成部分。PCIe总线的物理层定义了LTSSM（Link Training and Status State Machine）状态机，PCIe链路使用该状态机管理链路状态，并进行链路训练、链路恢复和电源管理。

PCIe总线的物理层还定义了一些专门的“序列”，有的书籍将物理层这些“序列”称为PLP（Phsical Layer Packer），这些序列用于同步PCIe链路，并进行链路管理。值得注意的是PCIe设备发送PLP与发送TLP的过程有所不同。

对于系统软件而言，物理层几乎不可见，但是系统程序员仍有必要较为深入地理解物理层的工作原理。

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