Protocol|【PCIe 6.0】PCIe 6.0 新特性

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文章目录

1. L0p基本介绍
- 1.1 L0p引入
- 1.2 L0p的目的意义
- 1.3 L0p的适用范围
- 1.4 L0p能力协商
2. L0p的进入和退出
- 2.1 L0p动态链路宽度调整
- - 2.1.1 策略概述
  - 2.1.2 L0p响应ACK和NAK规则
  - 2.1.3 L0p动态链路宽度调整举例
  - 2.1.4 链路宽度下调
  - 2.1.5 链路宽度上调
- 2.2 再次发送L0p请求
- 2.3 L0p的进入和退出耗时
- 2.4 L0p对称性
3. 链路管理DLLP
4. 进一步思考
- 4.1 为什么不继续采用FTS的方式了？
- 4.2 那么切换速度可以进L0p吗？
5. 参考

PCIe 6.0 协议标准最终版正式公布了，其中的技术细节也没必要藏着掖着了，之前写的协议分析笔记终于可以分享出来了。官方宣传媒体图，上！

1. L0p基本介绍 1.1 L0p引入 ??PCIe 5.0中低功耗状态有：L0s，L1、动态链路宽度切换、速度切换。L0p是PCIe 6.0新引入的一种低功耗状态，工作在L0p状态下PCIe设备可以在不中断数据发送的情况下完成链路宽度切换，从而提升链路的带宽利用率、降低功耗。
??L0p在LTSSM中的位置如图1所示，其不是LTSSM主状态之一，某种意义上讲，L0p是L0的一部分。

Protocol|【PCIe 6.0】PCIe 6.0 新特性 - L0p 详解

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▲ 图1 L0p在LTSSM中的位置
1.2 L0p的目的意义 ??L0p的目的意义大致有以下几点：

Flit Mode只支持L0p。PCIe 6.0工作在Flit Mode时不支持L0s，转而采用L0p。
采用L0p时，不中断数据传输即可实现链路宽度切换。非Flit Mode下，或没有L0p时，调整链路宽度需要LTSSM从L0 -> Recovery -> Configuration，此间几us内数据流被中断。
L0p下被关掉的lane的功耗与L0s几无差别，这样一来，既能保证链路的带宽率利用率，也能链路降低功耗。
上调链路宽度从L0p回退到L0时，PHY无需重新训练。

1.3 L0p的适用范围 ??L0p适用于工作在Flit Mode的PCIe设备，是一项可选的功能，PCIe设备可以通过设备控制寄存器3的L0p Enable位（图2）来决定是否开始L0p功能。对于采用PCIe 6.0的Retimer，其伪端口必须支持L0p。
??L0p只适用于Flit Mode，但其并非只适用于PCIe 6.0。采用了PCIe 6.0 IP的设备，若其工作在Gen1~Gen5速率下且为Flit Mode，L0p对其仍然适用。反过来讲，采用了PCIe 6.0 IP的设备，若其工作在Flit Mode下，即便其速率为Gen1~Gen5的速率，其仍然不能进入L0s的低功耗状态。

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▲ 图2 Device Control 3 Register
1.4 L0p能力协商 ??收发端通过交换TS序列协商该链路是否启用L0p能力。TS1或TS2序列（standard或modified）中的数据速率指示符号第0bit（即symbol 4 bit 0）指示当前设备其是否支持L0p，收发端在Configuration.Complete状态形成最终决定，L0p能够动态切换最大链路宽度是在Configuration.Linkwidth.Accept状态决定的。
??Flit Mode不等于L0p，因为L0p是可选的功能。即便工作在Flit Mode下，若设备未实现或未使能L0p能力，则设备仍然不能进入L0p状态，也不能动态调整链路宽度，此时调整链路宽度仍然需要从 L0 -> Recovery -> Configuration。

2. L0p的进入和退出 2.1 L0p动态链路宽度调整 2.1.1 策略概述
??一般而言，Flit Mode的PCIe设备在初次training的时默认开启全部可用的lane。在工作过程中，根据带宽利用情况决定下调或扩展lane的数目。进入L0状态后，初次发送L0p请求一定是链路宽度下调。

链路宽度下调：当吞吐量较小链路较清闲时，收发端协商后进入L0p状态降低活跃态的lane数目。在保证现有数据发送带宽需求的前提下，关闭部分lane使其进入电气闲状态，同时剩余lane继续发送数据流。
链路宽度上调：链路宽度上调的前提是当前链路已经工作在L0p状态且lane数目未达到最大。若当前PCIe设备吞吐量逐渐加大以至于目前lane数难以满足需求，收发端协商上调lane数目，激活电气闲状态的lane，以满足系统吞吐量需求。

??注意：

在协商好的最大链路宽度范围内，L0p支持的动态切换链路宽度为x1, x2, x4, x8, x16。L0p不支持到x1, x3, x5等的切换。
鉴于Configuration状态时关闭的lane存在链路可靠性差的可能，L0p不能也无法激活在Configuration状态下关闭的lane。如果需要激活其他lane，仍然需要L0 -> Recovery -> Configuration重新协商。
从L0p -> Recovery后，有效链路宽度回退到进L0p之前L0的链路宽度。
若链路控制寄存器（图3）中的自动链路关闭位置一，则 ①禁止发送链路宽度下调的L0p请求，且 ②必须发送上调链路宽度的请求，将链路宽度恢复至最近一次Configuration协商后的最大链路宽度。

【Protocol|【PCIe 6.0】PCIe 6.0 新特性 - L0p 详解】

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▲ 图3 Link Control Register
2.1.2 L0p响应ACK和NAK规则
??USP或DSP均可以主动发起动态切换链路宽度请求，另一方可以同意（回ACK）也可以拒绝请求（回NAK）。只有在双方就能不能进L0p、切换成哪种链路宽度达成一致之后，才能进入预期的L0p链路状态。Rx在收到L0p请求后，必须在1us内进行回应；若请求者在2us内未等到回应，其可以重新发送请求，也可以放弃请求。
??更多L0p ACK和NAK规则如下：

若L0p.Priority为0，不论当前端口是否已处于L0p，其均有权拒绝对端发来的链路宽度下调L0p请求。
若端口出于热节流或链路可靠性原因请求下调链路宽度，其应将L0p 请求中的L0p.Priority位置一，并确保在100ns内开始发送该L0p请求。此时，若对端未发送L0p请求且下个Flit也不打算发送L0p请求，那么对端必须接受该L0p请求并回复ACK。
任何请求动态下调链路宽度的端口，即便其得到了对端的ACK答复，当导致其链路宽度下调的因素消除后，其应主动恢复原有的链路宽度。
若DSP和USP同时请求L0p动态链路切换（某端口收到L0p请求后100ns内自己也会发送L0p请求即为同时），此时双方需要竞争方能成为最终的requester。竞争规则如下：
○ 若双方L0p.Priority均置一，链路宽度窄者胜；
○ 若只有一方L0p.Priority置一，L0.Priority置一者胜；
○ 若双方L0p.Priority均为0，L0p请求链路宽度不同链路宽者胜，链路宽度相同DSP胜。

2.1.3 L0p动态链路宽度调整举例
??以X16链路为例，一种L0p动态切换链路宽度的协商过程如图4所示：

DSP与USP在Configuration状态协商开启L0p能力。
USP发送L0p请求给DSP，请求将链路宽度切换为x8，DSP回复ACK。
DSP即USP lane 0-7继续传输数据流，lane 8~15 发送EIOSQ并进入电气闲状态。
一段时间后，DSP发送L0p请求，请求上调链路宽度为x16，同时USP请求继续把链路宽度下调至x4。两者L0p.Priority均为0，DSP获胜，USP回复x16 L0p以ACK，DSP回复x4 L0p以NAK。
lane 8~15 重新发送TS1或TS2以重新训练，并在合适位置插入EIEOS使链路退出电气闲。
DSP及USP均工作在x16下。

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▲ 图4 L0p动态链路宽度举例
2.1.4 链路宽度下调
??双方端口就链路宽度下调达成一致意见后，两方端口需要独立完成以下事项：

待关闭lane上从其下一Flit开始将Flit中的SKPOS替换为EIOSQ，发送完EIOSQ后进入电气闲状态，其他无需关闭的lane不发送EIOSQ，且照常发送数据Flit。
若发出L0p请求的端口未收到ACK，只要其收到了EIOSQ，等同于收到ACK，该关lane的关lane。
所有待关闭的lane上同时收到EIOS后才能进入L0p，若存在某待关闭的lane上未收到EIOS，则不能进入L0p，而是进入Recovery。

2.1.5 链路宽度上调
??双方端口就链路宽度上调达成一致意见后，需要完成以下事项：

发送L0p请求的端口在待开启的lane上发送EIEOSQ，其他lane照常发送数据流，对端收到EIEOSQ后激活相关lane。
在开启相关lane时，需注意：待开启的lane与其他正常工作中的lane一起规划SKPOS。考虑到待开启的lane在发送EIEOSQ中的多个EIEOS时有可能会被SKPOS打断，此时可以通过合理规划EIOSQ的起始时刻来保证其中的多个EIEOS背对背发送（未被SKPOS打断），一旦被SKPOS打断，可以重新发。
所有待开启的lane上均连续收到8个TS1或TS2后，开始发送TS2。
数据速率为8GT/s及以上时，若所有待激活的lane上收到8个连续的TS2，且在收到1个TS2后发出了16个TS2，该端口所有激活及待激活状态下的lane在发送下一SKPOS前需发送SDS。
数据速率为8GT/s及以上时，Rx需在所有已激活、待激活的lane间完成lane间de-skew。
若24ms还没激活相关lane，则进入Recovery状态。

2.2 再次发送L0p请求 ??端口再次发送L0p请求的时间点是有要求的，满足以下任一条件时本端口方可以再次发送L0p请求：

不论上次L0p请求由谁发起，此刻距上次成功实现动态链路切换已过去1us。
上次L0p请求由本端口发起，但被拒绝了。
上次L0p请求由对端发起且本端口已回复ACK，若上次L0p请求请求上调链路宽度，无论本端口是否监测到对应lane退出电气闲，即无论上调是否成功完成，只要过去2us，本端口均可再次发送L0p请求。

??（为什么没提到下调链路宽度呢？下调链路宽度是双方端口能够主动控制的，但是上调可就不是这么回事了，链路坏了还真就上调不了。）

2.3 L0p的进入和退出耗时 ??对于一直处于活跃状态的lane而言，上调和下调链路宽度对数据传输没有任何影响。
??当下调链路宽度时，对于要关闭的lane而言，考虑到要把SKP替换为EIOS才能进入电气闲，最差情况是2个SKP的间隔1.5ms；当上调链路宽度时，耗时跟从L1退出的耗时相同。

2.4 L0p对称性 ??大家知道，Tx和Rx可以单独进入和退出L0s状态，但是对于工作在Flit Mode且启用了L0p的PCIe 6.0设备，其Tx和Rx必须同时进入或退出L0p，且Tx和Rx的链路宽度相同，称之为L0p的对称性。为什么要这么做呢？减少设计的复杂度。考虑到USP及DSP的处理速度或许不同，DSP及USP在动态切换链路宽度的时候，或许存在短时间的链路宽度不同的情况，这是允许的，我们仍然称起是对称的。

3. 链路管理DLLP ??目前链路管理DLLP类型只有L0p链路管理DLLP这一种，其格式如图5所示。
??各字段意义如下：

Byte0：固定值 8’b00101000，用以指示当前为链路管理DLLP。
Byte1：指示链路管理的类型，目前只有L0p DLLP这一种类型，值为8’b00000000。
Byte2：bit[3:0]表示L0p的命令类型，0100 -> L0p 请求，0110 -> L0p ACK，0111 -> L0p NAK，1010 -> L0p链路上调训练完成；bit[4]在L0p命令为L0p请求时表示L0p请求的优先级，1为高优先级；bit[7:5]预留。
Byte3：bit[3:0]及bit[7:4]均表示链路宽度，其中bit[3:0]是L0p请求或链路上调训练完成的链路宽度，bit[7:4]是L0p NAK/ACK的响应负载，0001b -> x1， 0010b -> x2，0100b -> x4，1000b -> x8，0000b -> x16。

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▲ 图5 Link Management DLLP (Flit Mode)
??以下几种情况对应的链路管理DLLP无效，Rx收到后应予以忽略：

链路管理类型或 L0p命令类型为保留字段。
链路管理类型或 L0p命令类型正常，但L0p命令类型对应的链路宽度或响应负载为保留字段。

4. 进一步思考 4.1 为什么不继续采用FTS的方式了？ ??根据经验，为使设备工作在最坏的环境下仍能正常从L0s回退到L0，设计人员往往采用较大的N_FTS，复杂度增加是一方面，对降低功耗也不太友好。想必之下，从lane数较少的L0p回退到L0，采用EIEOS，方法更为简单直接有效。

4.2 那么切换速度可以进L0p吗？ ??怕是不行。不同速率下的信号质量不同，其对应的均衡、加重/去加重参数不同，每切换一种速度都需要重新进行均衡等，即需要进Recovery重新均衡后再切速。

5. 参考

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