【精讲】PCIe Quality of Service(QoS)机制

本章概述

Traffic Class

Vitual Channels

TC/VC mapping

端口仲裁

示例分享

本章概述

本章主要讲解PCIe 在TLP层的一个特性，Quality of Service(QoS)——服务质量。QoS其实并不是一个陌生的词，在计算机系统中，我们经常接触到，比如网卡的QoS，FC卡的QoS等。本章讲解在PCIe规范中，在TLP层，也有该机制。一个常用的场景如：通过PCIe总线传输视频流，这需要对实时性要求高，提前识别到这些需求，通过调整流量的优先级，来保证视频流数据在PCIe系统中实时被传输。

支持QoS机制需要下面的特性

Traffic Classes（TC）

Vitual Channels（VC）

Port Atbitration

Vitual Channels Atbitration

Traffic Class

TC在TLP包头中的位置如下图所示，占3个bit，0~7的范围，可以将TC理解为一个tag，用来选择VC。系统默认使用TC0/VC0.

TC字段表示当前TLP的传送类型，PCIe总线规定了8种传输类型，分别为TC0～TC7，缺省值为TC0，而多数EP中只含有一个VC，因此这些EP在发送TLP时，也仅仅使用TC0，但是有些对实时性要求较高的EP中，含有可以设置TC字段的寄存器。

在Intel的高精度声卡控制器(High Definition Audio Controller)的扩展配置空间中含有一个TCSEL寄存器。系统软件可以设置该寄存器，使声卡控制器发出的TLP使用合适的TC。声卡控制器可以使用TC7传送一些对实时性要求较强的控制信息，而使用TC0传送一般的数据信息。在具体实现中，一个EP也可以将控制TC字段的寄存器放入到设备的BAR空间中，而不必和Intel的高精度声卡控制器相同，存放在PCI配置空间中。

目前许多处理器系统的RC仅支持一个VC通路，此时EP使用不同的TC进行传递数据的意义不大。x86处理器的MCH中一般支持两个VC通路，而多数PowerPC处理器仅支持一个VC通路。PLX公司的多数Switch也仅支持两个VC通路。

有些RC，如MPC8572处理器，也能决定其发出TLP使用的TC。在该处理器的PCIe Outbound窗口寄存器(PEXOWARn)中，含有一个TC字段，通过设置该字段可以确定RC发出的TLP使用的TC字段。不同的TC可以使用PCIe链路中的不同VC，而不同的VC的仲裁级别并不相同。EP或者RC通过调整其发出TLP的TC字段，可以调整TLP使用的VC，从而调整TLP的优先级。

Vitual Channels

虚拟通道，其本质是是一个缓存区（buffer)，端口默认支持VC0，最多可支持8个VC（VC0~VC7）.我们可以举一个例子来理解VC和TC，PCI端口可以看作是高速收费站的收费口，VC可以看作是不同的收费闸道，假如只有一个闸道口（VC0），那么通过的速度受限于最慢的车辆。假如有多个闸道口，不同车辆在不同的口通行，每个车辆上有一个标识（TC），来标识他在第几个闸道通行。TC与VC之间的映射关系见下面描述。

TC/VC mapping

每个报文里的TC值会保持不变的传递到目的终端，在传输的整个路径中，需要有TC与VC的mapp关系，即报文经过的所有端口都有与TC对应的VC。通过软件来配置PCIe配置空间寄存器来实现TC/VC的maap关系，对应的寄存器如下图所示。TC0和TC1映射到了VC0，TC2/TC3/TC4被映射到了VC3.

映射规则如下

对于同一个链路相连接的两个端口，TC/VC的映射关系必须相同；

TC0必须map到VC0上；

除TC0外，其他TC值可以map到其他任何VC上；

一个TC只能map到1个VC上；

基于严格优先级的仲裁方式

8个VC严格按照优先级排序，VC值越大，优先级越高，优先允许高优先级任务通过，这种方式思路清晰，但是存在一个问题，就是如果持续有高优先级任务，会将低优先级的任务饿死（一直不传输低优先级的任务）。

分组仲裁方式

将8个VC分成低优先级组和高优先级组，高优先级组按照严格优先调度策略，低优先级组使用硬件固定仲裁方案或加权轮询仲裁方案，可由软件配置选择。

Virtual Channel Arbitration Table（VAT）

通过配置该表来控制VC的优先级，设置访问的寄存器如下

端口仲裁

为什么需要端口仲裁，是因为在switch或RC 中，需要仲裁来自哪个口的数据优先通过，如下如所示：在switch画红圈的上行口要仲裁来自两个下行口的数据通过的优先级。优先调度方式有硬件固定仲裁方案、加权轮询仲裁方案、按照端口仲裁表方案。

示例分享

最后我们来看一个例子：

（1）switch的port0发送TLP包，TC/VCmap关系TC0 TC1map到VC0，TC3，5map到VC1；

（2）switch的port1发送TLP包，TC/VCmap关系TC2 TC4map到VC3，TC0map到VC0；

（3）通过TLP的路由信息识别出port0，port1的这些TLP包都是发送到port2端口，

（4）通过新的TC/VCmap映射；

（5）端口仲裁，来自port0和port1的两个TLP包进行端口仲裁。

（6）在port2上通过VC仲裁进行传输。

以上就是TLP层的Qos的内容分享。