PCIe扫盲——128/130b编码详解

前面的文章介绍过PCIe的Gen1和Gen2模式下，物理层使用的是8b/10b的编码。这种编码方式能够实现直流均衡，并且能将数据流中的连0连1控制在5个以内（最多5个连续的1或者0），从而可以降低物理层CDR设计的复杂度。但是8b/10b编码的缺点也很明显：浪费了20%的带宽资源，以PCIe Gen2为例，5GT/s的速率却只有4Gbps的带宽。

注：PCIe的真实带宽还受到TLP包中的非数据内容，DLLP和Ordered Sets，甚至Root端的驱动和应用程序的影响。具体可以参考之前的文章：http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100062236

本文将简要地介绍PCIe Gen3及以上版本中所使用的128b/130b编码技术。128b/130b编码是以太网中使用的64b/66b的演进版本，关于64b/66b，可以参考：http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100064750

128b/130b相比于8b/10b，在带宽利用率上有了显著地提升，从80%到98.46%。在评估总线性能的时候，甚至可以忽略不计。与以太网中使用的64b/66b类似，128b/130b编码是在128 bit的Payload前面加上了2 bit的同步头，如下图所示：

该同步头（Sync）为01b时，表示其后面跟的是Ordered Set；为10b是，则表示其后面跟的为非Ordered Set数据。需要注意的是，Byte Striping逻辑会将同步头在每一个Lane上重复（如果有的话，即非x1模式），以便于接收端识别同步头。我们将这2bit的同步头和128bit的Payload，一起称为数据块（Data Block）。在Gen1/2模式下，物理层首先完成位锁定（Bit Lock），然后尝试去完成字节锁定（Byte Lock）。而在Gen3（以及以上版本），物理层完成位锁定之后，会尝试进行块锁定（Block Lock，与Gen1/2的字节锁定对应，Gen3中并没有字节锁定的概念）。

注：当然，完成块锁定需要借助特定的数据流，在PCIe中使用的00h和FFh交替的数据流，即EIEOS（Ordered Set的一种）。

PCIe一共定义了5种类型的Ordered Set：

※ TS1 and TS2 Ordered Set (TS1OS/TS2OS) ：用于链路初始化和训练

※ Electrical Idle Ordered Set (EIOS) ：用于电气空闲状态

※ FTS Ordered Set (FTSOS) ：用于L0s状态到L0状态的切换

※ SKP Ordered Set (SOS) ：用于CTC（Clock Tolerance Compensation）

※ Electrical Idle Exit Ordered Set (EIEOS) ：V2.0 Spec增加的

※ Start of Data Stream Ordered Set(SDS)：仅适用于Gen3及以上版本，当链路准备发送数据流时，会先发送SDS，然后进入L0状态。

需要注意的是，与发送有效数据流（非Ordered Set）不同，发送Ordered Set时，所有的内容都需要在同一时刻在所有的Lane上（如果有的话）同时发送。以FTS为例，如下图所示：

注：几乎所有的Ordered Set的Payload的都是16个字节，但是有一个例外：SOS（SKP Ordered Set），其Payload可以是8,12,16,20或者24个字节。

对于同步头为10b（即非Ordered Set）时，还需要借助Tokens（Gen3及以上版本才有的概念）来区分Payload中的数据的类型是TLP还是DLLP。PCIe Spec一共定义了5种数据结构（即5种Tokens）：

※ Start TLP (STP) — followed by a TLP

※ Start DLLP (SDP) — followed by a DLLP

※ Logical Idle (IDLA) — sent when there is no packet activity

※ End of Data Stream (EDS) — Precedes the transition to Ordered Sets

※ End Bad (EDB) — reports a nullified packet has been detected

每种Token的结构如下图所示：

以STP为例：

有人可能有疑问了，128b/130b编码之所在128bit的Payload前面增加了2bit的同步头，严格意义上都不能称之为编码。显然仅仅依靠128b/130b编码根本不可能实现8b/10b编码那样的直流均衡，因为Gen3使用了全新的扰码方式，以达到直流均衡的目标。Gen3的扰码算术表达式如下：

G(x)=x^23+x^21+x^16+x^8+x^5+x^2+1

为了减少各个相邻的Lane之间的干扰，每个Lane使用的扰码种子是不同的，如下表所示：

注：对于x16/x32的应用而言，可以依次重复使用各个Lane的种子，即Lane 8继续使用Lane 0的值，Lane 9使用Lane 1的值，依次类推。

注：与以太网中使用的64b/66b编码类似，128b/130b无法像8b/10b编码那样将连续的0（或者连续的1）限制在较小的范围之内，理论上，128b/130b可能出现的最大的连续0（或者连续1）可以达到128（最坏的情况下）。128b/130b编码只能借助扰码来实现较长时间内的直流均衡。这也是为什么PCIe Gen3的速率仅仅比Gen2的物理传输速率提高了3GT/s，其物理层（主要是CDR）的设计复杂度却增加了很多很多的原因。

注：2bit的同步头不会被扰码，当发送/接收到EIEOS或者FTSOS后，扰码器会重新初始化。除了TS1OS和TS2OS之外的所有的Ordered Set的所有Symbol都不会被扰码，TS1OS和TS2OS的Symbol0不会被扰码，Symbol 1~13会被扰码，而Symbol 14~15是否被扰码取决于扰码器判断扰码或者不扰码，谁更有利于直流均衡。

注：原文最早发表于本人的ChinaAET博客（http://blog.chinaaet.com/justlxy/）

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