【PCIe 总线及设备入门学习专栏 1.1 -- PCIe 基础知识 lane和link介绍】

news2024/12/25 22:55:00

文章目录

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- Lane 和 Link
- RC 和 RP
- - PCIe controller
  - - PCIE Controller
    - PHY模块
- Inbound 和 Outbound
- PCIe transaction model
- - PIO
  - DMA
  - P2P

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PCIe，即PCI-Express总线（Peripheral Component Interconnect Express），是一种高速串行总线。

PCIe最早由英特尔在2001年提出，旨在替代旧的PCI/PCI-X和AGP总线标准。但是，PCIe在软件层面上是兼容PCI的。

PCIe使用双向连接的方式，可以在同一时间进行收发操作。这种模型称为双单工连接，因为每个接口都有一个单工发送和单工接收的路径，如下图所示。因为数据流可以同时双向传输，因此两个设备间的通信是全双工的。

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Lane 和 Link

PCIe 的一条 lane由两对差分线（TX和RX）组成，一个 link由多条 lane组成。PCIe的 link 宽度支持x1, x2, x4, x8, x12, x16, x32。

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RC 和 RP

Root Complex 简称 RC，类似于 PCI 的 host 主桥，对于 RC 没有明确的规范要求，在不同的处理器中有着不同的实现方式，但总体上与PCI一样具备HOST主桥的功能。

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例如上图所示，在X86平台下，处理器通过 FSB 链接到了 RC。FSB 是 Front-Side Bus 的缩写，是一种传统的系统总线，它连接了计算机的主要组件，如 CPU、内存和北桥芯片。

上图的 RC由一个 存储器控制器 和两个 PCI桥 组成，这个PCI 桥链接着 Switch。总的来说，RC 是 PCIE 体系结构的一个重要组成部件，是PCIE 树的根，是整个 PCIE 树的控制者。但这个部件具体是什么样子的，可以根据实际需求来定，但唯一可以确定的，必须包含PCIE的总控制器的功能，所以 RC 的总线编号为０，挂在RC下的设备总线编号也都是 0，并依次向下延伸。

一个 RC 可以包括多个 RP（Root Port），例如一个16 条 lane的PCIe RC 可以包括4个RP（4个x4的），或者8个RP（8个x2的）等等。
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在 ARM 平台下，CPU 通常是通过 AMBA 总线与RC 进行连接，比如 ARM CPU 可以控制挂载在 CMN-650 的 RC。

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PCIe controller

首先，PCIe分为 控制器（controller） 和 PHY两部分，控制器是数字电路，PHY 包含 PCS 和 PMA 两部分，PMA 是模拟电路。

控制器主要负责 pcie 协议包处理；
phy 主要负责数据编码和串行化高速传输。

国内应该有公司做出相应的phy芯片（例如芯动科技、牛芯半导体），毕竟常见的pcie 3.0才8 Gbps的速率，最新的6.0才64Gbps。整体设计较为复杂，一般可向IP厂商定制设计。’

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PCIE Controller

控制器逻辑包含了 IP 的 host 设计，以及 PCIe 协议中所规定的事务层、数据链路层、物理层实现逻辑，通常包含如下模块：

reset 逻辑：通常会设置复位逻辑，通过总复位控制子复位；
debug 逻辑：监测IP状态，供设计人员debug用；
msg 处理逻辑：IP的某些信号由message处理，有CPU内核来处理；
子系统配置处理逻辑；
错误处理逻辑：查找寄存器，并记录，产生中断；
MSI 逻辑：对地址，数据通道进行监测；
中断逻辑：IP中某些中断可以合并；

PHY模块

PHY 模块用于连接协议层和链路，包含了驱动和锁相环、串转并、并转串等所有与接口操作相关的所有电路。

PHY控制逻辑：直通PHY模块的寄存器配置和控制；
DFT：IP中会提供专门用于DFT的引脚。

从PCIe协议来讲，物理层分为逻辑子模块和物理子模块。其中：
逻辑子模块又分为媒介访问层（MAC）和物理编码子层（PCS）；PMA层包含串行器/解串器（SerDes）和其他模拟电路；

PCIE Serdes
SerDes(Serializer-Deserializer)是串行器和解串器的简称，串行器(Serializer)也称为SerDes发送端(Tx)，(Deserializer)也称为接收端Rx。SerDes 的主要构成可以分为三部分，PLL模块，发送模块Tx，接收模块Rx。

Inbound 和 Outbound

PCIe的inbound和outbound是对CPU而言的，outbound指从CPU到设备方向，inbound指从设备到CPU方向。

PCIe transaction model

PCIe有三种transaction model，分别是PIO、DMA和P2P。

PIO

PIO即Programmed I/O，可编程输入输出。在该模式下，数据传送由CPU执行I/O端口指令来按照字节或更大的数据单位来处理，占用大量的CPU资源，数据传输速度也大大低于DMA模式。

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DMA

DMA即Direct Memory Access，直接内存访问。在该模式下，数据传送不是由CPU负责处理，而是由一个特殊的处理器DMA控制器来完成，因此占用极少的CPU资源。

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P2P

P2P即Peer-to-Peer，是指一个endpoint发送packet给另一个endpoint。P2P路由在Switch中是必需的，但对于RC来说是可选的。

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