PCIe学习笔记分享

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1、概述

    本总结随着DM8168中PCIe的学习，以及PCIe原理的学习而添加，都是一些零碎的知识点，有部分个人理解，将来温故知新用。

链接地址链接地址链接地址链接地址《PCI
Express 体系结构导读》，《PCI EXpress系统体系结构标准教材》DM8168相关文档，网上搜集资料。

2、DM8168的PCIe总线

欠奉。

3、RC（Root Complex）

    RC的主要功能与PCI总线中的HOST主桥类似，但是在HOST主桥的基础上增加了许多功能，RC可以理解为一个PCIe总线控制器，在X86处理器的体系结构中，RC并不仅仅管理PCIe设备的数据访问，而且还包含访问控制、错误处理和虚拟化技术等一系列内容<P100,《PCI Express 体系结构导读》>。

4、关键的参考时钟REFCLK+/-，100Mhz

    PCIe设备需要使用REFCLK+，REFCLK作为本地参考时钟，其时钟频率固定为100Mhz，在DM8168系统中，需要提供两个100Mhz时钟，一个给DM8168用于检测PCIe并且同步PCIe设备，一个给PCIe插槽用于EP的本地参考时钟，两个时钟必须同源，以保证PCIe挂载设备与系统同步。

5、WAKE#，JTAG，PRSNT1#，PRSNT2#，SMCLK#,SMDAT#

WAKE#: 当PCIe设备进入休眠需要唤醒时，PCIe设备通过WAKE#信号使处理器重新为PCIe设备供电，达到唤醒目的。

 

JTAG： 常见调试接口，在PCIe接口中由TRST#,TCK, TDK, TDO和TMS信号组成。

 

PRSNT1#,PRSNT2#: 与PCIe设备热插拔有关的一组信号。DM816x设备不支持热插拔。

SMCLK#,SMDAT#：P105~106《导读》

 

链接地址链接地址P105~106《导读》

6、PCIe总线层次结构

    PCIe总线采用串行的连接方式，并使用数据包（Packet）进行数据传输，在数据包的接收和发送过程中，需要经过多个层次，包括事务层，数据链路层和物理层三层。类似网络传输的OSI七层模型。

   PCIe为互联设备提供高速，高性能，点对点，双—单工，差分信号链路。数据从一组信号线发送，在另一组信号线上接收。

7、PCIe设备的复位方式

   PCIe总线规定了两大类的复位方式，一种是传统的复位方式（Conventional Reset），另一种是FLR（Function-Level Reset）方式。

    传统的复位方式有Cord，Warm和Hot Reset三种方式。cordReset方式就是PCIe上电时系统通过PERST#脚进行复位，类似9650外围芯片的阻容复位，我理解是一种硬复位。而warm Reset类似于看门狗，在系统上电运行后，通过看门狗等方式对PCIe进行的复位，应该属于PCIe设备全局复位，复位后PCIe设备重新启动运行。Hot Reset复位，是使用软件对PCIe设备进行复位，如系统软件对Bridge Control Register某位置1，该桥片对PCIe设备进行复位。

    FLR方式，即Function-LevelReset方式，这个方式与上述传统复位有什么区别，举个例子：当PCIe网卡的某个功能模块“与网络部分相关”的逻辑需要复位，而传统方式（cold，warm，hot reset）不能做到局部复位，而FLR方式就是一种局部复位。DM8168不支持FLR方式。17.1.3sprugx8b.pdf

8、北桥芯片

    北桥芯片　　　它主要负责CPU与内存之间的数据交换，并控制AGP、PCI数据在其内部的传输，是主板性能的主要决定因素。随着芯片的集成度越来越高，它也集成了不少其它功能。如：由于Althon64内部整合了内存控制器；nVidia在其NF3 250、NF4等芯片组中，去掉了南桥，而在北桥中则加入千兆网络、串口硬盘控制等功能。现在主流的北桥芯征的牌子有VIA、NVIDIA及SIS等。　　当然这些芯片的好坏并不是由主板生产厂家所决定的，但是主板生产商采取什么样的芯片生产却是直接决定了主板的性能。如：同样是采用VIA的芯片，性能上则有KT600>KT400A>KT333>KT266A等。目前主流的
AMD平台上，可选的芯片组有：KT600、NF2、K8T800、NF3等；对于INTEL平台，则有915、865PE、PT880、845PE、 848P等。

9、南桥芯片

    南桥芯片主要是负责I/O接口等一些外设接口的控制、IDE设备的控制及附加功能等等。常见的有VIA的8235、8237等；INTEL的有CH4、CH5、CH6等；nVIDIA的MCP、MCP-T、MCP RAID等。在这部分上，名牌主板与一般的主板并没有很大的差异，但是名牌主板凭着其出色的做工，还是成为不少人的首选。而不排除一部分质量稍差的主板为了在竞争中取得生存，可能会采用功能更强的南桥以求在功能上取胜。

10、FSB(Front Side BUS)前端总线

    FSB只指CPU与北桥芯片之间的数据传输总线，又称前端总线。　　对于P4来说，FSB频率=CPU外频*4。　　这个参数指的就是前端总线的频率，它是处理器与主板交换数据的通道北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽＝（总线频率×数据位宽）÷8。目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种，前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。

11、Switch

    由于PCIe总线使用端到端的连接方式，一条PCIe链路只能连接一个设备。当一个PCIe链路需要挂接多个EP时，需要使用Switch进行扩展。一个标准的Switch具有一个上游端口和多个下游端口。上游端口与RC或者其他Switch的下游端口相连，而下游端口可以与EP、PCIe-to-PCI桥或者下游Switch的上游端口相连。Switch是一种链路扩展的方式。

12、VC和端口仲裁

13、PCIe-to-PCI/PCI-X桥片

    PCIe-to-PCI桥片：将PCIe总线转换为PCI总线，以实现PCIe设备与PCI设备的互联，理解为转换器。

    同理PCIe-to-PCI-X桥片。

14、TLP(Transaction Layer Packet)

　　TLP称为事务层数据报文，当处理器或者其他PCIe设备访问PCIe设备时，所传送的数据报文首先通过事务层被封装为一个或者多个TLP，之后才能通过PCIe总线的各个层次发送出去。TLP的概念类似于TCP/IP协议中的UDP包，或者TCP包等。具体结构看（p155~p156《PCI Express体系结构导读》）

15、TLP的路由

    TLP的路由是指TLP通过Switch或者PCIe桥片时采用那条路径，最终到达EP或者RC的方法。PCIe总线一共定义了三种路由方法，分别是基于地址（Address）的路由，基于ID的路由和隐式路由（Implicit）方式。

16、PCI Express Capability, PCI Express Extended Capabillities, PowerManagement Capability

   这部分内容在sprugx8b.pdf17.4.8~17.4.11中有关于DM81xx的PCIe相关寄存器配置，其寄存器具体定义参见《PCI Express体系结构导读》4.3节，p123~p133。

17、Max_Payload_Size参数

   链接地址 Max_Payload_Size参数决定了一个TLP报文可能使用的最大有效负载，PCIe总线规定Max_Payload_Size的最大值为4096B，但是许多PCIe设备不一定能够支持这么大的负载。在实际应用中，一个PCIe设备的支持的Max_Payload_Size参数通常是128B，256B或者512B。

    还有一个参数Max_Payload_Size_Supported，表示PCIe设备中允许使用的Max_Payload_size参数。通常是两端的PCIe设备进行协商，确定实际使用值。P128《导读》。

18、LTSSM状态机

P218《导读》，sprugx8b.pdf17.4.3节也有提到。

19、MSI，MSI-X，Legacy中断机制          

    区别于使用INTx引脚提交的中断请求，MSI和MSI-X中断机制使用存储器写请求的TLP向处理器提交中断请求，也就是说这种中断的方法是嵌在TLP报文中的。不同的处理器对PCIe设备发出的MSI报文的解释并不相同。但是PCIe设备在提交MSI中断请求时，都是向MSI/MSI-X Capability结构中的Message Address的地址写Message Data数据，从而组成一个存储器写TLP，向处理器提交中断请求。

    有些PCIe设备还支持Legacy中断方式，比如DM8168，这种中断方式是通过发送Assert_INTx和Deassert_INTx消息报文进行中断请求，即虚拟中断线（INTx）的方式。在PCIe体系结构中，仍然存在许多PCI设备，而这些设备通过PCIe桥连接到PCIe总线中，这些设备可能并不支持MSI/MSI-X中断机制，因此必须使用INTx信号进行中断请求。

P263《导读》

20、BAR

21、type 0， type 1

22、PERST#, PWRGD#

    该信号为全局复位信号，由处理器系统提供，处理器系统需要为PCIe插槽和PCIe设备提供该复位信号。PCIe设备使用该信号复位内部逻辑，当该信号有效时，PCIe设备将进行复位操作。PCIe总线的Cold Reset和Warm Reset这两种复位方式的实现与该信号有关。P103《导读》

   

23、inbound, outbound

    这个见于pcie设备和系统内存互访问时，outbound是指CPU到设备方向；inbound指Device--> RC(CPU端）方向。从这个概念上说，设备（device）都是外部的，没有内部设备之说。CPU读写RC 端的寄存器时，还是属于片上系统的范围，所以既不是inbound 也不是outbound。

    简单的说，如果CPU读写PCI BAR 的总线地址，就是outbound，如果设备读写CPU端的主存，就是inbound。

http://www.aiuxian.com/article/p-400260.html

24、Lane Reversal, Polarity Inversion

    PCIe总线规定，PCIe链路两端的设备所使用的Lane可以错序进行连接，PCIe总线规范该功能为“LaneReversal”。在相同的Lane上，差分信号的极性也可以错序连接，PCIe总线规范将该功能称为“Polarity Inversion”。

25、PCI 枚举

    所谓枚举，就是从Host/PCI桥开始进行探测和扫描，逐个“枚举”连接在第一条PCI总线上的所有设备并记录在案。如果其中的某个设备是PCI-PCI桥，则又进一步再探测和扫描连在这个桥上的次级PCI总线。就这样递归下去，直到穷尽系统中的所有PCI设备。其结果，是在内存中建立起一棵代表着这些PCI总线和设备的PCI树。每个PCI设备（包括PCI桥设备）都由一个pci_dev结构体来表示，而每条PCI总线则由pci_bus结构来表示。

链接地址

26、PCIE 插槽图

序号	B面	功能	A面	功能
01	+12v	+12v电压	PRSNT1#	热拨插存在检测
02	+12v	+12v电压	+12v	+12v电压
03	RSVD	保留针脚	+12v	+12v电压
04	GND	地	GND	地
05	SMCLK	系统管理总线时钟	JTAG2	测试时钟、JTAG接口输出时钟
06	SMDAT	系统管理总线数据	JTAG3	测试数据输出
07	GND	地	JTAG4	测试模式选择
08	+3.3v	+3.3.v电压	JTAG5	测试模式选择
09	JTAG1	测试复位，JTAG接口复位时钟	+3.3v	+3.3.v电压
10	3.3vaux	3.3v辅助电源	+3.3v	+3.3.v电压
11	WAKE#	链接激活信号	PERST#	PCIe复位信号
12	RSVD	保留针脚	GND	地
13	GND	地	REFCLK+	差分信号对的参考时钟
14	PETp0	0号信道发送	REFCLK-
15	PETn0	GND	地
16	GND	地	PERp0	0号信道接收
17	PRSNT2#	热拨插存在检测	PERn0
18	GND	地	GND	地

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