PCIe（peripheral component interconnect express）

1. PCIe基础知识
PCI-Express（peripheral component interconnect express）是一种高速串行计算机扩展总线标准，它原来的名称为“3GIO”，是由英特尔在2001年提出的，旨在替代旧的PCI，PCI-X和AGP总线标准。
与大多数总线一样，PCIe总线也包括电气属性和协议组成两部分。完整地了解PCIe是相对复杂的，所以从应用角度来讲，我先从基本的协议入手，对PCIe有个初步的认识。拓展学习可以参考官方协议规范文档《PCI Express Base Specification》。
PCIe 规范对于设备的设计采用分层的结构，有事务层、数据链路层和物理层组成，各层有都分为发送和接收两功能块。
在发送端，应用程序（设备核A）在事务层形成事务层包（TLP——Transaction Layer Package），储存在发送缓冲器里，等待推向下层。在数据链路层，在TLP 包上再串接一些附加信息，这些信息是对方接收TLP 包时进行错误检查要用到的，形成数据链路层包（DLLP——Data Link Layer Package）；在物理层，对DLLP 包进行编码，占用链路中的可用通道，从发送器发送出去。
在接收端，实际上是发送端的“逆”过程。如果说发送端是在不断组包，那么接收端就是不断的拆包，最后提取出有用的数据信息供B设备的应用程序使用。

整个过程实际上和以太网的过程很相似，都是在不同层级上进行数据的扩展。在FPGA的开发过程中，实际上从事务层到物理层都是封装好了的，组成标准IP核。用户通过IP核要求的总线协议（如AXI4-Stream）与之进行数据交换。

2. 事务层协议
2.1 数据包结构
有了IP核之后，实际上我们最关心的就是事务层包的数据格式。
事务层数据包（TLP）主要由：一个或多个可选的前缀（TLP Prefixes）、一个帧头（TLP Header）、一个数据有效负载（Data Payload）和一个可选的摘要（TLP Dignest）组成，下面简单介绍一下各部分。

前缀（TLP Prefixes）

有PCIe V2.1总规范引入，主要起扩展帧头的作用。如果用不到，可以省去该字段。

帧头（TLP Header）

TLP Header是TLP中最重要的标志，不同的TLP其头的定义并不相同。TLP 头标长3 或者4 个DW（DW = double word——双字，32位），格式和内容随事物类型变化；

数据有效负载（Data Payload）

即主设备要传输的数据。数据的长度最小为0，最大为1024DW，视具体情况而定。该字段也是一个可选项，因为有些TLP并不需要传递数据，如存储器读请求、配置和I/O写完成TLP也不需要。

摘要（TLP Dignest）

摘要是一个可选项，长度为1DW。一个TLP是否需要Dignes是由Header中TD字段决定。如果接受设备支持ECRC校验的功能的话，则该字段用来防止TLP中的数据校验码ECRC。

2.2 帧头含义详述

TLP Header长3 DW或者4 DW，格式和内容随事务类型的不同而不同。但是对于所有TLP Header来讲，都拥有相同的第一个DW定义，如下图所示（R：Reserved，为0）。

Fmt（[31:29]）——Format of TLP

Fmt是关于头标长度和该TLP是否有数据（字段）的信息，如下图所示。实际上是3 DW还是4 DW是根据要访问目标的地址位宽有关。

Type（[28:24]）

Type的5位编码与Fmt字段一起用于规定事务类型、头标长度和是否有数据负载，如下图所示，只列举了一部分常用的类型，完整版可以查阅官方协议规范。

TC（[22:20]）

Traffic Class，传输类型也代表优先级，优先级高的先得到服务。这里是3比特，说明可以分为8个等级，0-7，TC默认是0，数字越大，优先级越高。
Attr（[18]、[13:12]）

该字段表述TLP的属性，由3位组成，注意不是连续的。具体含义见规范。
TH（[16]）

位为 1 表示当前 TLP 中含有 TPH（TLP Processing Hint）信息，TPH 是 PCIe V2.1 总线规范引入的一个重要功能。TLP 的发送端可以使用 TPH 信息，通知接收端即将访问数据的特性，以便接收端合理地预读和管理数据。
TD（[15]）

表示 TLP 中的 TLP Digest（之前说ECRC可选）是否有效，如果这个这个bit置起来，说明该TLP包含ECRC，接收端应该做CRC校验；
EP（[14]）

表示当前 TLP 中的数据是否有效，为 1 表示无效，为 0 表示有效。
AT（[11:10]）

Address Type，地址种类，与 PCIe 总线的地址转换相关，可暂时不考虑。
Length（[9:0]）

用来描述 TLP 的有效负载（Data Payload）大小。PCIe 总线设置 Length 字段的目的是提高总线的传送效率。Length 字段以 DW 为单位，其最小单位为 1 个 DW。

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