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PCIE总线结构
PCI总线结构组成
HOST主桥
PCI总线
PCI设备
HOST处理器
PCI负载
PCIE体系结构组成
RC
Endpoint
Switch
PCIE层次结构
事务层
数据链路层
物理层
参考文章：PCI_Express体系结构导读
PCIE总线结构
PCI总线结构组成
PCIE是PCI发展而来的，我们先看一下PCI的总线结构，下图从《PCI Express体系结构导读》书中截取。把下图与计算机硬件体系结构的CPU-GPU-南桥-北桥结构对应一下，上面红框应该是集成在CPU中，下面的绿框集成在北桥中，剩下部分都是PCI设备或者PCI到其他总线的转换桥。这个集成方式不重要，不同的处理器系统会有差别，这里对应一下是为了有个直观的展示。
上图与PCI总线相关的模块包括：HOST主桥（即Host to PCI主桥，也称PCI主桥、PCI总线控制器）、PCI总线、PCI设备、PCI桥（即PCI to PCI主桥）、PCI to其他总线桥。PCI总线由HOST主桥或PCI桥推出。HOST主桥与主存控制器在同一级总线上（就是CPU到北桥的系统总线），所以PCI设备可以通过DMA操作经HOST主桥访问主存。PCI设备的DMA操作需要与处理器系统的cache进行一致性操作（cache一致性是指在采用层次结构存储系统的计算机系统中，保证高速缓冲存储器中数据与主存储器中数据相同机制，详见高速缓冲存储器一致性_百度百科 (baidu.com)），当PCI设备进行DMA操作时，cache一致性模块进行地址监听，并根据监听结果改变cache状态。
HOST主桥
Host主桥主要功能：1、隔离处理器系统的存储器域和PCI总线域；2、管理PCI总线域；3、完成处理器与PCI设备之间的数据交换（包括CPU访问PCI设备的地址空间，PCI设备使用DMA机制访问主存储器）。
PCI总线
如上结构图所示，PCI总线x0连在HOST主桥x，PCI总线x1通过PCI桥x1连接在HOST主桥x，整个HOST主桥x下挂的叫一个总线树。总线树可以包括多条PCI总线（就是用PCI桥扩出来的总线）。PCI总线由HOST主桥或PCI桥管理，用来连接各类设备，如声卡、网卡、IDE接口卡等。
PCI设备
PCI设备在总线规范上被称为PCI Agent设备，PCI设备可以分为三类：
主设备：可以通过总线仲裁获得PCI总线控制权，主动向其他PCI设备或主存储器发起读写请求。
从设备：只能被动接收来自HOST主桥或其他PCI设备的读写请求。
桥设备：管理下游的PCI总线，并转发上下游总线之间的总线事务。
HOST处理器
严格来说，HOST处理器不是PCI总线结构的组成部分。HOST处理器可以通过HOST主桥，发起PCI总线的配置请求总线事务，并对PCI总线上的设备和桥片进行配置，注意，PCI总线树的直接管理者是HOST主桥，不是HOST处理器。HOST处理器是一个较为模糊的概念，在多核CPU中，所有core都可以通过HOST主桥访问其下的PCI总线树，但是在同一时间内，一颗PCI总线树有且只有一个HOST处理器。HOST处理器通过操作HOST主桥中设置的寄存器来管理PCI设备。
PCI负载
总线频率越高，能挂接的负载越少，但整条总线能提供的带宽越大。
PCIE体系结构组成
PCIE相对PCI的拓扑结构有了较大变化。PCI是并行总线型主从结构，同一条总线上的外部设备共享总线带宽，而PCIE采用了高速差分端到端传输，每条PCIE链路上只能连接两个设备。一个典型的PCIE拓扑结构如下，与PCIE结构相关的部件有RC、Switch、PCIE设备、PCIE to PCI桥：
RC
RC是PCIE体系结构中一个重要组成部件，同时RC也是一个概念比较模糊的部件。PCIE规范中并没有定义RC的实现细节，不同的处理器系统中，RC的实现有较大差异。有的处理器系统中，RC相当于PCIE主桥（类似于PCI的host主桥，主要完成存储器域到PCI总线域的地址转换），也有的处理器系统将PCIE主桥称为PCIE总线控制器，而在x86处理器系统中，RC除了包含PCIE总线控制器以外，还集成了一些PCI设备、RCRB（RC register block，由一系列管理存储器系统的寄存器组成）和event collector（处理来自PCIE设备的错误消息报文和PME消息报文）等组成部件。此外，处理器与RC连接的前端系统总线协议和电气特性一般与PCIE总线不兼容，所以RC还需要做信号协议与总线事务的转换。再外，再引入了虚拟化技术后，RC的实现变得更大复杂。
这里不过多研究RC的结构，大家只需要大致知道，它一般实现了一条内部PCIe总线（BUS 0)，以及通过若干个PCIe bridge，扩展出一些PCIe Port，如下图：
Endpoint
就是PCIE的终端设备，比如SSD、网卡、显卡等。
Switch
由于PCIE采用的是点对点连接，所以若PCIE设备大于RC端口数量，则需要用switch进行端口扩展。一个标准的switch有一个上游端口和多个下游端口，上游端口与RC或其他switch的下游端口相连，下游端口可以与EP、PCIE to PCI桥或其他switch的上游端口相连。如下图：
对每个Switch来说，它下面的Endpoint或者Switch，都是归它管的。上游下来的数据，它需要甄别数据是传给它下面哪个设备的，然后进行转发；下面设备向RC传数据，也要通过Switch代为转发。因此，Switch的作用就是扩展PCIe端口，并为挂在它上面的设备（Endpoint或者Switch)提供路由和转发服务。每个Switch内部，也是有一根内部PCIe总线的，然后通过若干个Bridge，扩展出若干个下游端口，如下图所示：
PCIE层次结构
了解完PCIE的硬件拓扑结构之后，再来看一下PCIE的逻辑层次结构。由于PCIE采用了差分高速链路一对一传输，去掉了PCI中一些边带信号引脚，比如INTx、PME#，但这些信号不能说去掉就去掉，还是要传输的，于是PCIE采用了数据包packet的形式将原来带外信号进行带内传输，不同的数据报文，比如有真实数据载荷、控制信号、管理信号等一些报文，这些不同报文在传输时需要用到各种模块，为了使这些模块规范化，PCIE采用了和网络传输类似的分层结构，这些层次结构在PCIE中都是硬件实现。
PCIe定义了下三层：事务层（Transaction Layer）、数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer，包括逻辑子模块和电气子模块），每层职能是不同的，但下层总是为上层服务的。分层设计的一个好处是，如果层次分得够好，接口版本升级时，硬件设计可能只需要改动某一层，其他层可以保持不动。RC、EP、switch都得分别实现这三层。如下图所示：
PCIe传输的数据从上到下，都是以数据包（Packet）的形式传输的，每层数据包都有其固定的格式。
事务层
事务层定义了PCIE总线使用的总线事务，大部分与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RC。这一层的主要职责是创建（发送）或者解析（接收）TLP（Transaction Layer Packet）、流量控制、QoS、事务排序等。
数据链路层
数据链路层的主要职责是保证事务层下发的报文能可靠、完整地传送到对端的数据链路层。事务层报文将在此层被添加sequence number前缀和CRC后缀。数据链路层使用Ack/Nak协议来保证数据的可靠传输。另外数据链路层还定义了多种DLLP（Data Link Layer Packet）、ACK/NAK协议信息、流控、电源管理功能都是通过DLLP来传递。需要注意的是，DLLP虽然名字叫数据链路层报文，但他不是TLP报文加上前缀和后缀。具体DLLP格式后面会讲。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-496781.html
物理层
物理层的主要职责是处理所有的Packet数据物理传输，发送端数据分发到各个Lane传输（Stripe），接收端把各个Lane上的数据汇总起来（De-stripe），每个Lane上加扰（Scramble，目的是让0和1分布均匀，去除信道的电磁干扰EMI）和去扰（De-scramble），以及8b/10 b或128 b /130 b或其他方式的编码解码等。物理层还定义了LTSSM状态机，用来管理链路状态，并进行链路训练、链路恢复和电源管理（LTSSM的电源管理和DLLP的电源管理有什么不同？）另外，物理层定义了一些物理层专门的“序列”，有的地方称这些“序列”为PLP（physical layer packet），这些序列用于同步PCIE链路，并进行链路管理。注意，PCIE设备发送PLP和发送TLP的过程有所不同，后续文章会详细介绍。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-496781.html
到了这里，关于【PCIE体系结构三】PCIE的硬件拓扑结构和逻辑层次结构的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
