PCIe 从入门到精通之五：PCIe 分层结构

0. 引言

PCIe 是硬件工程师跨不过去的坎。我刚开始工作就接触 PCIe，工作中遇到的所有产品都有 PCIe 总线。在此想把自己学习 PCIe 的一些经历和感悟，以及踩过的坑分享在这里。

所有 PCIe 主题的文章都会收录在《深入浅出聊 PCIe》合集里，每篇文章涵盖一个 PCIe 的主题，预计会有几十篇文章，我会尽量用通俗的语言和大家介绍 PCIe 设备内部的奥妙。

在上一篇文章《PCIe 从入门到精通之四：PCIe 总线的拓扑结构》中，我们对 PCIe 总线的拓扑结构有了一定的了解。在这一篇文章中我们继续介绍 PCIe 分层结构。

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1. PCIe 为什么要分层

我们之前说过 PCIe 体系相当于一个庞大的集团公司：

• CPU：是这个集团的 CEO
• Root Complex：是 CPU 的秘书团队
• Switch：是大区域的分总公司
• Endpoint：则是子公司或办事处

俗话说得好，有人的地方就有江湖，有江湖的地方就会有阶级分层，美其名曰分工合作。PCIe 体系的总公司和每个子公司要实现的功能非常强大，因此也要分工合作。

一个完整的 PCIe 体系结构包括：

分层特点：

• 层与层相互独立，下层为上层服务
• 每层只负责本层内的事务
• 层与层之间定义标准的接口
• 某一层的改变对其他层不产生影响

就像总公司和每个子公司下面都有很多部门，每个部门有不同的职能，大家配合运行。

2. PCIe 怎么分层

如下图所示，从上到下：

• 灰色：应用层
• 红色：事务层
• 蓝色：数据链路层
• 绿色：物理层

2.1 应用层（Application Layer）

它并非 PCIe 规范中明确定义的层，而是由用户根据自身需求进行设计和实现的。

2.2 事务层（Transaction Layer）

这是 PCIe 协议的最高层。它负责：

• 创建和解析事务层包（TLP，Transaction Layer Packet）
• 处理流量控制
• 服务质量（QoS，Quality of Service）
• 事务排序等功能

事务层还负责将数据封装成 PCIe 事务包进行传输。

2.3 数据链路层（Data Link Layer）

位于事务层和物理层之间。数据链路层的主要职责是确保数据包在链路上的可靠传输，包括错误检测和恢复。它通过添加序列号和循环冗余校验（CRC），并使用 ACK/NAK 协议来保证报文的可靠传递。

2.4 物理层（Physical Layer）

这是 PCIe 协议的最底层。它负责实际的信号传输，包括：

• 数据编码（如 8b/10b 或 128b/130b 或 Flit）
• 扰码
• 字节条带化
• 链路训练和初始化

物理层提供了 PCIe 设备之间数据通信的传输介质，并管理链路状态。

3. PCIe 设备内的分层

如图是一个 Root Complex 和 Endpoint 的分层互联图：

• 两者绿色的物理层相互连接，直接通信
• 向内部分别到达蓝色的数据链路层和红色的事务层

Switch 内部有 PCI-PCI Bridge，如下图所示，每个 PCI-PCI Bridge 都可以看作是一个独立的 PCIe device，它们都有各自的事务层、数据链路层和物理层。

如下图所示，所有的 PCI-PCI Bridge 的 Port 最外层是物理层，中间是数据链路层，内部通过事务层将各个 PCI-PCI Bridge 互联。

4. PCIe 体系内的分层

我们将 Root Complex、Switch 和 Endpoint 整合到一个体系内，如下图所示。

PCIe 总线传输的是数据包（Packet），如下图中黄色的箭头。Root Complex 要想和 SSD0 通信，数据包（Packet）的传输路径为：

1. 穿过 Downstream Port 三层
2. 到达 Switch 的 Upstream 三层
3. Switch 将数据包处理后通过内部的 PCIe Bus 传输到 Downstream Port
4. 穿过 Downstream Port 三层
5. 最终到达 Endpoint SSD0

5. 总结

• 这种分层结构实现了职责的分离，使得每一层都专注于特定的功能，从而简化了设计和实现。
• 各层之间通过明确定义的接口进行通信，上层依赖下层提供的服务，而下层则为上层提供支持。这种紧密的协作确保了 PCIe 链路能够高效、可靠地完成从高层软件请求到低层物理传输的整个数据通信过程。

简而言之：

• 物理层是数据的 “管道”
• 数据链路层是 “管道的守护者”，确保数据安全无误地通过管道
• 事务层则是 “数据的管理者”，负责数据的生成、解析和传递给应用程序

它们共同构成了一个强大而灵活的通信协议栈。

这篇文章就聊到这里，敬请关注下一篇：
《PCIe 从入门到精通之六：PCIe 数据包 packet 的传奇之旅》

参考文献

1. PCI Express® Base Specification Revision 5.0 Version 1.0
2. PCI Express® Base Specification Revision 6.4
3. PCI Express® Base Specification Revision 7.0