Ripan Deuri

1. 引言

PCI Express（PCIe）采用分层架构设计，以分离数据包生成、可靠性保障和物理传输等职责。在这些层中，事务层（Transaction Layer）发挥着核心作用，它将软件级操作转换为结构化的数据包，通过 PCIe 结构进行传输。

本文将结构化地讲解事务层，重点介绍其职责、事务类型以及事务层数据包（TLP）的详细结构。

2. PCIe 各层

  • 事务层（TL）：生成事务层数据包（TLP）
  • 数据链路层（DLL）：确保 TLP 在链路上的可靠传输
  • 物理层（PHY）：处理电信号和比特级传输

3. 事务层的作用

以下职责由事务层负责：

  • 通过内存地址或基于 ID 的路由确定目标
  • 将读/写/配置请求转换为事务层数据包（TLP）

4. PCIe 事务类型

PCIe 定义了多种事务类型：

内存事务

  • 内存读
  • 内存写

配置事务

  • 用于设备枚举
  • 访问配置空间

消息事务

  • 中断（MSI/MSI-X）
  • 电源管理
  • 错误信令

完成事务

  • 对请求的响应（例如，返回读请求的数据）

5. 事务层数据包（TLP）结构

TLP 是 PCIe 通信的基本单元。

+---------------------------------+
| TLP Header (3DW / 4DW)          |
+---------------------------------+
| Data Payload (optional)         |
+---------------------------------+
| Digest (optional)               |
+---------------------------------+

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5.1 TLP 头部

TLP 头部定义了数据包的类型、意图和路由信息。

DW0 — 格式与控制：

31           24 23     20 19     16 15                0
+--------------+---------+---------+------------------+
| Fmt + Type   |  TC     | Attr    | Length           |
+--------------+---------+---------+------------------+

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DW0 关键字段：

  • Fmt（格式）：3 位。指示头部大小（3DW 或 4DW）以及是否存在数据负载。

    • 000 = 3-DW 头部，无数据（如 32 位内存读）
    • 001 = 4-DW 头部，无数据（如 64 位内存读）
    • 010 = 3-DW 头部，含数据（如 32 位内存写）
    • 011 = 4-DW 头部，含数据（如 64 位内存写）

  • Type：5 位。与 Fmt 结合定义 TLP 类型：

    • 00000 = 内存读请求（MRd）
    • 00001 = 内存读请求锁定（MRdLk）
    • 00000 且 Fmt 为 010 = 内存写（MWr）
    • 00100 = 配置读 Type 0（CfgRd0）
    • 00101 = 配置写 Type 0（CfgWr0）
    • 01010 = 完成（Cpl）
    • 01010 且 Fmt 为 010 = 带数据的完成（CplD）
    • 10000 = 消息请求（Msg）

  • TC（流量类别）：3 位。表示优先级（0–7）。大多数流量使用 TC0。

  • Length：10 位。指定数据负载中的 DWORD 数量（1–1024）。值为 0 表示 1024 个 DWORD。

DW1 — 请求标识：

31              16 15        8 7         4 3         0
+------------------+----------+-----------+-----------+
| Requester ID     | Tag      | Last BE   | First BE  |
+------------------+----------+-----------+-----------+

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DW1 关键字段：

  • Requester ID：16 位。使用总线/设备/功能（BDF）标识源设备。 
Bus Number (8 bits) | Device Number (5 bits) | Function Number (3 bits)

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  • Tag：8 位。由请求者分配的唯一标识符。
    用于将完成 TLP 与对应请求匹配。

  • Last Byte Enable（Last BE）：4 位。指示负载最后一个 DWORD 中的有效字节。
    适用于非对齐或部分传输。

  • First Byte Enable（First BE）：4 位。指示负载第一个 DWORD 中的有效字节。

示例（部分写入）：

从 DWORD 内的偏移处写入 6 字节：

DWORD N:
+----+----+----+----+
| B3 | B2 | B1 | B0 |
+----+----+----+----+
  ✔    ✔    ✔    ✘     → First BE = 1110

DWORD N+1:
+----+----+----+----+
| B3 | B2 | B1 | B0 |
+----+----+----+----+
  ✘    ✔    ✔    ✔     → Last BE = 0111

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DW2/DW3 — 地址：

  • 包含内存事务的目标地址
  • DW2：地址的低 32 位
  • DW3：高 32 位（仅用于 64 位寻址）