PCIE事务层协议(Transaction Layer Specifications).doc

处理层协议（transaction Layer specification）
◆TLP概况。
◆寻址定位和路由导向。
◆i/o,memory,configuration,message request、completetion详解。
◆请求和响应处理机制。
◆virtual channel(vc)Mechanism虚拟通道机制。
◆data integrity数据完整性。
一．TLP概况
处理层（transaction Layer specification）是请求和响应信息形成的基础。包括四种地址空间，三种处理类型，从下图可以看出在transaction Layer 中形成的包的基本概括。

一类是对i/o口和memory的读写包（TLPS：transaction Layers packages），另一类是对配置寄存器的读写设置包，还有一类是信息包，描述通信状态，作为事件的信号告知用户。对memory的读写包分为读请求包和响应包、写请求包（不需要存储器的响应包）。而i/o类型的读写请求都需要返回I/O口的响应包，configuration包对配置寄存器的读写请求也有响应包。这些请求包还可以按属性来分就是：NP-non posted ，即请求需要返回completion的响应包；还有一种就是；poste，即不需要completion返回响应包。例如上面的存储器写入请求包和Message包都隶属于posted包。包的主要格式结构如下：

每种类型的包都有一定格式的包头（Tlp Header），根据不同的包的特性，还包括有效数据负荷（Data Payload）和tlp开销块（Tlp Digest）。包头中的数据用于对包的管理和控制。有效数据负荷域存放有效数据信息。具有数据的TLP传递是有一定规则的：以DW为长度单位，发送端数据承载量不得超过“Device Control Register”中的“Max_Payload_Size”数值，接收端中，所接收到的数据量也不能超过接收端“Device Control Register”中的“Max_Payload_Size”数值。TLp Digest域是32位的ECRC校验。具体的包结构图如下：

由此图可看出数据从低字节的高位先发送，从左到右。以下详细介绍TLPS的每个成分。
TLP Header：

R为保留信息位，应设为0，路由器switch对此位不做修改，接收器应该忽略此位。
▲ Fmt[1:0]：Format of TLP (see Table 2-2) – bits 6:5 of byte0
▲ Type[4:0]：Type of TLP – bits 4:0 of byte 0
▲ TC[2:0]: Traffic Class – bits [6:4] of byte1,关于TC的作用将在下文说明。
▲ Attr[1:0]: Attributes – bits [5:4] of byte 2,详细介绍见下文
▲ TD：1b indicates presence of TLP digest in the form of a single DW at the end of the TLP标志TLPDigest域的有无。
▲ EP: indicates the TLP is poisoned – bit 6 of byte 2有效数据中毒（出错）机制。

▲ Length[9:0]:Length of data payload in DW.
Fmt开销位说明TLP Header的长度和TLP是否包含数据，见下图。
▲ Fmt[1:0]=00b,代表3DW的包头，没有数据。
▲ Fmt[1:0]=01b,代表4DW的包头，没有数据。
▲ Fmt[1:0]=10b,代表3DW的包头，有数据。
▲ Fmt[1:0]=11b,代表4DW的包头，有数据。
Fmt和Type开销组合定义了包（TLP）的类型如下。

上图定义了各种类型的包，图中的r[2:0]用于定义Message包的隐含寻址方式，在下文中更为详细。
Length域定义了有效负荷的DW长度如下。

在不包含data payload块的包中Length的值应被设置为保留值R，并被接收端忽略。余下的各个开销位将在后文提到。
二．TLP打包定址和路由导向方式
主要有三种TLP寻址方式：地址路由（address）、ID识别路由、间接路由（implicit）。下面主要解释address和ID寻址方式，间接寻址将在后面提及。
address寻址主要用于memory和i/o request请求包，memory读写请求包支持64位地址和32位地址，i/o读写请求只支持32位地址。64位地址寻址的TLP Header有4DW（16字节），32位地址寻址的TLP Header有3DW长。

上图就是64位地址的4DW的包头和32位地址的3DW的包头。对于memory读写request包，AT（address Type field）有如下的编码。

ID寻址方式主要用在configuration 请求包、部分message包、响应包中。ID包括Bus number、Divce number、function number为TLP定位目标接收器。ID寻址的TLP包头长度也有4DW和3DW两种，ID在TLP中位置见下图。

第七个Byte（Byte7）是第一个DW数据负荷和最后一个DW数据负荷使能位（Byte Enables），Byte Enables在于memory，i/o，configuration 请求包中有效，如图。

对于last DW BE和1st DW BE中的每一个位，为0表示相应的数据字节不被读或写，为1表示相应的数据字节有效。每个使能位相对应的字节如下。

处理层描述符（transaction Descriptor），用于请求器件和应答器件间转送处理层信息，包括三部分，Transaciton ID、Attributes、Traffic class（TC）。如下图。

其中Transaction ID包括: Requester ID、Tag，如图。

Tag[7:0]是由产生请求包的器件生成的，如果请求器件需要应答，则每个Tag[7:0]和Function Number是独一无二的。Transaction ID是一个全局标识符用于响应包寻址请求器件。
TC的规定如下，描述服务的层次和用于映射虚拟通道：

处理层描述符在请求包中第二个DW：
。中图中看出，描述字符放在第二个DW的前三个字节中。
三．i/o,memory,configuration,message request、completetion详解。
memory、i/o、configuration request包头除了基本的域之外还包括：Transaction ID即requester ID、Tag、Last DW BE、1st DW BE，放在第二个DW中。以下分别介绍这三种不同的请求包。
memory request package：
采用直接地址寻址，有64bit地址和32bit地址两种，其中读请求包的Length域不应大于Max_Read_Request_Size寄存器设置的值。请求器件不会示例一个所访问的memory空间超过4KB的read request包。以下是两种不同地址长度的memory request 包。

64位地址的包格式

32 位地址的包格式
I/O request 包：
I/O request 包只有32位地址寻址。有如下限制：
▲ TC[2:0] must be 000b
▲ Attr[1:0] must be 00b
▲ AT[1:0] must be 00b
▲ Length[9:0] must be 00 0000 0001b
▲ Last DW BE[3:0] must be 0000b
格式如下：

可见每次只传送一个DW数据。
configuration request包：
configuration request包采用ID寻址方式，包头（Tlp Header长度是3DW）。有如下规定：
• TC[2:0] must be 000b
• Attr[1:0] must be 00b
• AT[1:0] must be 00b
• Length[9:0] must be 00 0000 0001b
• Last DW BE[3:0] must be 0000b
包格式：

Message 包：
Message包分为：
􀂉 INTx Interrupt Signaling INTx中断信息包
􀂉 Power Management 电源管理机能。
􀂉 Error Signaling错误信息包
􀂉 Locked Transaction Support 锁住交易的支持
􀂉 Slot Power Limit Support插槽电源限制的支持
􀂉 Vendor-Defined Messages制造商自行定义信息
所有的Message包都用Msg编码，即不包括数据负荷的Message包，除了Vendor_Defined Messages和Set_Slot_Power_Limit Message包，Message包有以下限制：
□ The Message Code field must be fully decoded (Message aliasing is not permitted).

□ Except as noted, the Attr[1:0] field is reserved.保留Attr域。
□ AT[1:0] must be 00b.
□ Except as noted, bytes 8 through 15 are reserved.保留包头部分的bytes8到byte15.
□ Message Requests are posted and do not require Completion.Message包不需要返回响应包。
□ Message Requests follow the same ordering rules as Memory Write Requests.

寻址方式：隐含寻址，由Type域中的r[2:0]决定，即Type域的最后三位。具体寻址映射如下：

r[2:0]是010时，寻址方式就是ID寻址。
completion rules（应答机制）：completion包用ID寻址方式，寻址使用的ID就是request提供的requester ID。除了那些正常的域以外，还包括：
◆ Completer ID[15:0] – Identifies the Completer – described in detail below
◆ Completion Status[2:0] – Indicates the status for a Completion
◆ BCM – Byte Count Modified
◆ Byte Count[11:0] – The remaining byte count for Request
◆ Tag[7:0] – in combination with the Requester ID field, corresponds to the Transaction ID
◆ Lower Address[6:0] – lower byte address for starting byte of Completion

compl.Status位有如下含义：

四．请求和应答处理机制
处理机制就是对接收到的经Data Link Layer进行数据完整性验证的Tlp进行处理。无效的包将被抛弃，保留字（reserved）将被忽略。以下是处理流程：

对所有的包分request handling和completion handling，按不同的规范处理。
Request Handling Rules：

如果请求是一个不支持的请求包，并且需要响应，则Completion Status=UR，即不支持的请求。如果请求包是一个Message 包则按Message包处理规则处理，否则对这个request进行处理。如果请求违反器件编程定义则给出ca响应，即响应器件放弃该请求，否则做出正确应答。
completion handling： 如果接收到一个completion包的Transaction ID和requester的Transaction ID不一致则这个应答包是非预期包。合法的应答包将按Compl.Status域处理并提取有效数据负荷。
五．virtual channel(vc)Mechanism虚拟通道机制。
虚拟信道（virtual channel）在总线中提供用TC域来区分的虚拟信息通路，即某一传输通路，有不同的流程控制机制（Flow Control）。当某流程控制出现拥塞时，其他通路依然畅通。VC有自己的独立流控制，是实现Qos的秘诀。VC通道是解决拥塞的基础。

在Switch内部，VC通道机制如下：

每个TLP包并不包含具体的VC信息，VC是由TC映射得到的。每个器件的TC/VC映射是不同的，TC0/VC0是固定的。具体TC、VC映射如下：
一个或多个TC映射到一个VC，同一个TC不能映射到不同的VC上，连接双方的映射机制一致。除了TC0外，其他的可以软件设置。链路两端的映射方案要一致，如图是一种映射方案。

具体的虚拟通道是由VC ID决定和识别的。

现在介绍Flow Control，每个虚拟通道有独立的流程控制的缓冲空间。在收发双方，流程控制信息是用数据链路包（DLLP）打包发送的，其中的“VC ID“就是用来载送虚拟通道的识别。总的来说，流程控制是由数据交易层（Transaction Layer）搭配了数据链路层（Data Link Layer）来处理的，只是，处理层通常是针对接收到的TLP打包，生成TC，再由TC映射到VC。流程控制信息是FCP（Flow Control Package），即DLLP打包的一种。流程控制的信用单位是Credit，也就是接收器的缓冲空间是4DW。信用单位：就是接收端缓冲空间大小的基本单位。流程控制能分辨三种包：posted requests（p）、non-posted requests（Np）、completions（cpl）。还可以分辨三种包的包头Header和数据Data，可以这样说，每个虚拟通道（VC）对应的特定流程控制包含6种不同的流程控制信息：1、PH=posted Request Header；2、PD=posted request Data Payload；3、NPH=non-posted request Header；4、NPD=non-posted request Data Payload；5、CPLH=completion Header；6、CPLD=completion Data Payload。各种包对应的流程控制如下表；

六．data integrity数据完整性
主要的数据完整性保证之一是Data Link Layer中的crc（lcrc）。为了确保数据端对端的可靠性在Transaction层的TLp Digest域还选择性的做一ECRC校验，ECRC的初值是FFFF FFFF，算法实现如下：

Transaction Layer specifications只是pcie总线规范的一层规范，主要处理数据包的传送管理，此外还有Data Link Layer规范和physical Layer规范。