PCIE物理层-链路初始化与训练
link trainning 通过LTSSM（Link Training and Status State Machine）完成。在这个过程中，可以发现并确定如下：
- 链路带宽
- 链路速率
- 链路反相
- 链路极性
Training Sequences
训练时序由位对齐，符号对齐和交换物理层参数三个部分组成，
TS1和TS2用来传输PCIE链路的配置信息
TS1 Ordered Set的具体符号描述如下
TS2 Ordered Set的具体符号描述如下
EIOS
在发送器进入电气空闲状态时，必须发送EIOS Ordered Set
- 在使用8/10b的时候，EIOS是K28.5(COM）+ 3个K28.3(IDL）符号组成
- 在使用128/130b的时候，EIOS是16个符号的数据，接收器再接收第4个符号的时候，就已经代表接收到了一个EIOS。
EIEOS
EIEOS用作确保能够检测到电气空闲退出状态，当使用128/130b时，还用于块对齐
EIEOS在5.0GT/s的符号格式(8/10b)和8.0GT/s的符号格式（128/130b）如下
gen3的EIEOS数据块格式如下
链路极性
在training的过程中，TS1和TS2的符号6-15作为链路极性标志，如果极性反转，则
- TS1的6-15符号是D21.5而不是D10.2
- TS2的6-15符号是D26.5而不是D5.2
FTS(Fast Training Sequence)
在L0s到L0过渡时用于位锁定和符号锁定，FTS的符号信息如下
SDS
作为数据块的开始符号，在 Configuration.Idle, Recovery.Idle, 和 Tx_L0s状态下传输，SDS的符号信息如下
链接错误恢复
链路错误主要发生在解码错误，帧错误，符号丢失，缓冲区溢出或丢失，块对齐，错误通常发生在L0状态，也会在L0到Recovery上发生。如不在L0状态上发生的链接错误，LTSSM状态机不会转换到Recovery上。
链路速率协商
协商的行为主要是先从2.5GT/s上启动Link Training，然后在Training Sequence（TS1/TS2）中可以获取支持的速率大小，然后以2.5GT/s的速率走到L0状态，然后从L0走到Recovery状态，重新开始以新的速率Link Training。
链路Width和Lane顺序协商
对于pcie的带宽根据pcie的协议版本来决定，同样的pcie的总体带宽根据lane的数量来决定。
对于pcie来说，gen3可以兼容gen1，对于lane来说，可以将x8拆分成x4+x4。
对于pcie的lane顺序来说，lane可以交织，也就是lane0可以接lane3，lane1接lane2，lane2接lane1，lane3接lane0
也就是说，对于pcie3.0 x16来说。可以作为单纯的x16的gen3连接，也可以作为2个x8.或4个x4，或16个x1，同时对于每个lane，都可以是gen3（8GT）或gen2(5GT)或gen1(2.5GT)
LTSSM状态机
LTSSM状态机如下所示
每个阶段的解释如下
- Detect： 检测pcie是否存在，存在则进入此状态
- Polling： 端口已经发送Training Ordered Sets并接收到Training Ordered Sets，此时已经位锁定和符号锁定，lane极性也确定好了
- Configuration：在基于确定的速率上发送和接收数据， lane的width和lane顺序也确定好了
- Recovery： 恢复阶段开始配置新的速率，然后重新位锁定，符号锁定和块对齐，以及通道去偏移
- L0：正常运行状态，数据和控制包正常发送和接收
- L0s：L0的低功耗状态，在接收到EIOS后进入L0s状态，但是L0s恢复到L0时需要重新位锁定，符号锁定和块对齐，以及通道去偏移
- L1：节能状态，但是L1的resume将比L0s时间更长，通过数据链路层的指令并接收到EIOS之后来进入L1状态
- L2：更节能的状态，此时接收器和发送器已经关闭，主电源和时钟信号都可能停止，但是辅助电源还是可用，也是通过数据链路层的指令并接收到EIOS之后来进入L2状态
- Disabled：通过配置链路的方式禁用电气空闲退出状态，Disabled使用 1位（Disable link 位）来发送（在TS1/TS2中），禁用通过更高的协议层设置进入禁用状态，也可以发送连续两个带禁用bit的TS1 Oedered Set来禁用
- Loopback： 用于测试和故障隔离，回环标志在TS1/TS2的bit 2，连续两个设置回环的TS1可以进入回环。
- Hot Reset：热重置在TS1/TS2的Training Control域，连续两个设置热重置的TS1可以进入热重置
对于LTSSM状态机的状态情况下的Link Status如下图
从上图可以知道，例如LinkUp状态，在Configuration时可能是1可能是0，这是指的如果是从detect--->polling--->configuration，则此时是0，到recivery才是1.但是如果是从recovery或其他状态进入configuration，则此时的link up是1
Detect子状态机
Detect的默认状态从Quiet开始，然后默认以2.5GT/s进行均衡，均衡完成之后，等待12ms超时或电气空闲状态Broken后，进入Active，在进入active后的再一个12ms内检测接收器，如果在lane上接收到Detection Sequence，则进入Polling，否则进入quiet。
Polling子状态机
发送器先进入Active状态
- 如果从Link Control 2寄存器的bit4获取值为1，则进入Compliance状态
- 如果已连续发送1024个TS1，这个TS1的通道和链路编号设置为PAD后进入Configuration
- 否则在24ms超时后判断，Compliance标志如果清空，则进入Configuration，如果是1，则进入Compliance，如果都没有设置，则退出到Detect阶段
如果在Configuration状态
- 如果接收到发送的8个TS2并且设置了PAD，并且在接收到1个TS2时发送16个TS2，则进入Configuration
- 否则在48ms超时后退回到Detect
Configuration子状态机
- 对于configuration状态机，最开始进入start
- 如果检测到TS1/TS2的禁用标志，则进入Disabled
- 如果收到两个连续的TS1，其链路号与PAD不同且通道号设置为PAD，则进入Accept
- 24ms超时后进入Detect
其他细节不详述，（见4.2.6.3）如下图所示
Recovery子状态机
Recovery的子状态机如下所示，不详述
L0
L0没有子状态机，如果处于L0，在改变Link Width时进入Recovery，也可以进入L0s，或L1或L2状态。
L0s子状态机
通过FTS可以进入L0状态
L1子状态机
当长时间没有TLP和DLLP时，发送端通知接收端进入L1状态，如果接收端不同意则进入L0s状态，如果同意则进入L1状态
L2子状态机
L2状态属于更节能的状态，所以都会重新Detect，与L0，L0s，L1不同的是，它们都是通过Recovery
Disabled
Disabled没有子状态机，当禁用标志位起来时就是Disabled状态机，如果标志清空，则重新进入Detect
Loopback子状态机
回环通过配置进入，如果退出回环则重新detect，状态机如下
Hot Reset
Hot Reset没有子状态机，默认通过控制进入Hot Reset，或者接收两个连续的TS1，并带有Hot Reset标志作为进入Hot Reset
PCIE物理层-链路均衡
PCIE3.0默认速度在8.0GT/s，为了提高信号的质量，从3.0开始提供了链路均衡。后面每个版本都额外均衡一次。对于PCIE3.0，Tx端发送Rx EQ的均衡设置，Rx做出响应，最终获得一个最优的均衡组合 和眼图（信号质量）
上电过程
对于pcie而言，先基于2.5GT/s进行传输，然后由一方发送更改速度请求，从而另一方发送均衡请求，进入Recovery状态，进行均衡，最后确定PCIE的速度。其均衡的步骤总共有四步，对于Downstream Port来说有1-3阶段，对于Upstream Port来说有0-3阶段。因为第一个阶段是从DSP发送TS2 Ordered Set给USP做均衡。
均衡步骤
- Phase 0：DSP给USP发送TS2（Training Sequenec 2）训练序列集，USP接收到之后，将USP速度主动提升到8GT/s，并发送TS1i（Training Sequenec 1）训练序列集给DSP，如果Gen3连接成功，则进入阶段1
- Phase 1：两边都发送TS1序列集来建立连接，每32个TS1序列集发送一次EIEOS，当信号质量足够强时，链路进入阶段2i
- Phase 2：USP请求DSP发送presets值，直到满足更高的信号质量要求，DSP最多会根据USP的请求发送65536个TS1的EIEOS的有序集。USP仍是每32个TS1序列集发送一次EIEOS，当信号质量满足更高要求时，则进入阶段3
- Phase 3：与阶段2相反，DSP请求USP发送presets值，直到满足更高的信号质量要求，USP最多会根据DSP的请求发送65536个TS1的EIEOS的有序集，DSP仍是每32个TS1序列集发送一次EIEOS，当信号质量满足更高时，则均衡完成
当均衡完成，信号从LTSSM状态机的Recovery.RcvrLock，Recovery.RcvrCfg，Recovery.Idel转向L0状态，如下图
整个均衡的过程如下图
对于均衡过程中发送的Presets的格式如下
LTSSM状态机
均衡也是属于LTSSM状态机的开始或组成部分（基于Recovery），对于上电过程，默认先以2.5GT/b的速率从Detect--->Polling--->Configuration--->L0--->Recovery，最后进入Recovery。然后再通过动态链路均衡（上文）来发起调速请求。如下是LTSSM状态机
PCIE物理层-encoder
PCIE的物理层框图如下
对于PCIE的传输编码，如果在pcie1.0和pcie2.0，则使用8/10b的编码，如果是pcie3.0及以上，则使用128/130b传输编码
对于pcie3.0，默认是8GT/s，如果传输编码大于等于8GT/s，则默认使用128/130b编码，如果pcie3.0在L0状态，则默认是2.5GT/s传输，则此时使用8/10b编码。
8/10b编码
8/10b编码的作用是为了维持DC平衡，也就是电信号的0和1均匀分布（避免出现5个连续的1或0），8/10b的编码模型只在低于8GT/s下使用，故有必要介绍一下。8/10b的意义在于将8bit的信息按照3bit+5bit分割，填充成4bit+6bit作为10b使用。填充图解如下
这里填充还分为rd+和rd-模式。RD（running disparity），+/-是1的个数减去0的个数.默认选择rd-
其逻辑为，先默认按照rd-编码，如果是完美平衡码，则不变，如果不是，则转换极性作为rd+编码。 例如：D.x.3（011），其对应的4B码字有两种：1100和0011，此时RD为负，则取1100作为其对应的4B码字作为输出，发现是完美编码
再例如D.x.4（100），其对应的4B码字有两种：1101和0010，若此时RD为负，则取1101作为其对应的4B码字作为输出，但不是完美编码，1101的1的个数大于0的个数，则转换成相反极性，故转换极性为rd+，则默认编码为0010
如下图
对于特殊的符号编码，如下可知
上述举例
- STP：在开始TLP包前，使用K27.7的符号作为STP符号
- SDP：在开始DLLP包前，使用K28.2的符号作为SDP符号
具体图解如下：
对于TLP，包组成如下，这里物理层会在DLLP的TLP包上追加前缀符号STP和后缀符号END
对于DLLP，包组成如下，这里物理层会在DLLP的包上追加前缀符号SDP和后缀符号END
多lane数据的8/10b编码
如果是x1，则物理层按照上述编码即可，如下图
如果是x2，则数据是均匀分布，以TLP包为例，STP在lane0的开头，END在lane1的结束，如图
如果是x4，则如图
数据加扰
在8/10b的编码下，数据发送是先加扰在编码，数据接收是先解码在解扰。加扰解扰是通过LSFR（Linear Feedback Shift Registers）
LSFR计算方式不想明白，这里不介绍了。
128/130b编码
128/130b编码是在8GT/s速度以上，也就是pcie最后速度协商在pcie gen3以上启用。
128/130b的编码是在原128b上添加2b的头，H0和H1，类型如下：
- 10b ：代表是一个数据块
- 01b ：代表是一个Ordered Set块（有序设置块）
与8/10b不一样的是，在多lane的情况下，128/130b会在每个lane上传输H0/H1头，对于每个数据内容，按照小端方式存放
如下是1lane的传输方式
如下是4lane的传输方式
Ordered Set Blocks
在link training的阶段，可以通过特殊的有序集来判断块对齐，这个特殊的有序集就是电气空闲退出有序集（EIEOS），下面是通过EIEOS来判断对齐状态的逻辑
- 未对齐阶段： 接收器在电气空闲后进入未对齐状态，例如刚进入128/130b编码或者退出低功耗状态，如果等待到下一个EIEOS，则进入对齐阶段
- 对齐阶段： 接收器接收EIEOS和SDS（Start of Data Stream）有序集时进入对齐阶段，如果接收到SDS有序集，接收器进入锁定阶段，如果接收到00b或11b的header，则返回未对齐阶段
- 锁定阶段： 这个阶段下，数据块将在SDS Ordered Set后正常发送。
Data Block
数据块由Framing Tokens 和 TLPS 和DLLPS组成，它以SDS Ordered Set开始，以SKP Ordered Set结束。
对于Framing Tokens主要有如下几类
- IDL：没有TLPs和DLLPs或其他Framing Tokens传输时，传输此
- SDP：开始DLLP包的Tokens，后面跟随DLLP包
- STP：开始传输TLP包的Tokens，后面跟随12bit的TLP序列号，在后面是TLP包
- EDB：End错误，用于确认之前的TLP包被取消
- EDS：数据流结束，表示数据流结束，下一个块将是Ordered Set Block
上述几类令牌的具体格式如下所示
所以对于TLP和DLLP的整体包格式图如下
如上图，TLP包含STP+TLP Prefix（如有）+TLP Header+TLP Payload+TLP 摘要（如有）+LCRC。 如果一个TLP有3DW的Header，1DW的payload，不包括TLP摘要，则整体TLP的length的长度为6=1（Tokens）+0（TLP Prefix）+3（TLP Header）+1（Payload）+0（TLP digest）+1（LCRC）
对于DLLP则简单了，就是在DLLP上加上SDP的Token，即SDP+DLLP+CRC
对于x8的lane的pcie接口，总包数据传输如下所示
从上面可以知道，对每个lane，H0/H1都是存在的，而Tokens+TLP+DLLP则是均匀遍布在每个lane上。具体为：STP+TLP Header+TLP Payload+LCRC+SDP+DLLP+CRC+IDL+STP....
对于取消TLP是整包示例如下
这里值得注意的是，EDB的Tokens是作为TLP的扩展，它不计算在TLP的lenth字段中，所以TLP包在传输的过程中，会直接带一个EDB作为TLP的取消。
之前提到了SKP作为整个数据库的结束，故如下图展示带SKP Tokens的整包示例
可以看到，在EBS之后，新的包是10+SKP+SKP_END+LSFR。故SKP Ordered Set作为整个数据块的结束
数据加扰
通过LSFR加扰，在128b/130b下，前两位H0/H1不会被加扰，EIEOS Ordered Set，SDS,SKP, EIOS不会加扰，LSFR会在EIEOS发送后加扰（有效数据加扰），在EIEOS接收后解扰（接收器解扰数据）。
PCIE数据链路层-DLLPs
数据链路层在事务层下面，它封装了TLP数据包，并加上前缀和后缀，形成了DLLP包。如下是层级关系
DLLP包是完全由硬件完成的
数据链路状态机
数据链路状态机如下
DLLP
所有的DLLP包含1dword，前面8bit作为dllp的type，后面作为dllp的type的衍生字段。最后16bit作为crc校验，如下
这里关于dllp type的类型如下
所以根据不同类型的dllp的字段如下
ack/nak
InitFC1
InitFC2
UpdateFC*
PM_*
Vendor Specific
包装TLP
对于数据链路层，先发送了DLLP包出去，里面标明了DLLP的type和DLLP的type对应字段，再加上CRC。然后再发送TLP，这时候的TLP包会包装前缀和后缀，用作标明TLP包的序列号以及TLP的LCRC校验，也就是如下
这里的Sequence ID 和LCRC是对TLP的封装。
所以数据链路层的通信流程如下
这里A是发送者，B是接收者，A会发送TLP包给B，所以B会发送ACK/NAK的DLLP给A接收，这里的DLLP就包含两个部分，一个是1dword+16bit crc的DLLP，一个是包装TLP包加上Sequence和LCRC的完整TLP包。
DLLP发送接收流程
上面已经知道DLLP包括自定义的DLLP字段以及会在TLP添加前缀和后缀。这里根据文档描述，讲述DLLP的发送和接收流程
TLP发送流程
NEXT_TRANSMIT_SEQ：存放下一个待发TLP包的序列号，TLP包前缀。 AckNak_Seq_Num：DLLP的ACK/NAK字段，存放最后成功接收TLP的序列号 ACKD_SEQ：存放最近收到的序列号（从DLLP的ACK/NAK返回）
所以先判断下一个待发TLP的序列号，不能大于总Counter(4096)的一半。 如果ACKD_SEQ（存放的序列号）和AckNak_Seq_Num（DLLP的ACK/NAK）不相等，则意味着上一次的包发送成功，开始发下一个包，则清空原来的retry buffer，将新的包的序列号加载到ACKD_SEQ，开始发送，如果接收到ACK，则成功，如果为NAK，则重发。
TLP接收流程
将NEXT_RCV_SEQ：这里是一个计数器，对TLP包计数加1，用来判断NEXT_TRANSMIT_SEQ和自己是否相等
先计算收到的TLP包的LCRC值，然后判断物理层确定TLP是否有效，再获取这次接收到的TLP包的DLLP的后缀LCRC，判断自己计算的LCRC和DLLP的LCRC是否匹配，最后判断当前TLP包的序列号是否等于NEXT_RCV_SEQ，如果等于，将NEXT_RCV_SEQ自增加1，开始处理TLP包，发送ACK，否则发送NAK。
