PCIe系列专题之二：2.8 事务排序机制

一、故事前传

之前我们讲了对PCIe的一些基础概念作了一个宏观的介绍，了解了PCIe是一种封装分层协议（packet-based layered protocol),主要包括事务层（Transaction layer), 数据链路层（Data link layer)和物理层（Physical layer）。

较为详细解释请见之前的文章：

1. PCIe技术概述；

2.0 PCIe Transaction layer事务层概述；

2.1~2.3 TLP结构及原理解析；

2.4~2.7 Flow control机制详细解析；

二、事务排序

与其他协议一样，当同一个通信等级(Traffic Class, TC)的多个事务(Transactions)同时通过同一个通道时，PCIe对这些事务设置了一些排序(Transaction Ordering)规则。

这样做的好处有以下几点：

• 保持与传统总线的兼容性。比如PCI，PCI-X等；

• 保证事务的完成具有准确性，并且按照设计人员的意愿完成；

• 避免死锁的状况发生；

• 最大限度的优化PCIe总线的传输效率。

注释：死锁是指两个以上的设备在访问临界资源时，相互等待对方释放这些资源，而无法访问这些资源的情况。

在PCI总线上，只支持Strong Ordering传送规则，而在PCIe总线中新增了Relaxed Ordering(RO) 和 ID-based Ordering(IDO)传递方式。

Strong Ordering:

何为Strong Ordering? 顾名思义，Strong，就是很强壮，很彪悍的意思。Strong Ordering强制总线上的TLP按照先来后到的方式进行传递，一视同仁，不管是否有特殊情况，均不允许插队和绿色通道。但是事情总有轻重缓急，对于一些紧急的状况，这个强制规则难免会影响到总线的传递效率和用户体验。

我们看下面一个例子，

• 所有的TLPs类型统一编号；

• 发送端VC buffer有8个待传输的TLPs，依次编号为#1~8，这8个TLPs分为三类:

  Posted：2, 4, 7;

  Non-Posted: 1, 5;

  Completions: 3, 6, 8;

• 接收端对应的VC buffer如上图，其中，Non-Posted buffer已满，而Posted、Completions buffer则仍有可用空间；

此时，接收端Non-Posted buffer已满，TLP 1,5则需要暂停发送。由于这8个TLPs属于同一VC，需要按照Strong-Ordering规则排序。所以TLP 2,3,4对应接收端VC buffer即使有可用空间，也必须等TLP 1传输完成之后才能发送。

这不就是浪费时间嘛，浪费别人的时间，就等于谋杀呀~Strong-Ordering太不厚道咯~~~

Relaxed Ordering(RO):

相比PCI, PCIe则深得中庸之道，更加善解人意。PCIe支持的Relaxed Ordering的传递规则不会要求TLPs严格遵守先来后到，也意味着根据轻重缓急找到最佳的方案，提高数据的传输效率。

不过，Relaxed Ordering是有条件的。因为每个TLP只能对应一个TC(通信等级), 而这个TC有只能对应唯一一个VC(虚拟通道)。所以说：

• VC相同的TLPs遵循Relaxed Ordering规则，

• VC不同的TLPs则没有事务排序的要求，不必遵循Relaxed Ordering规则。

VC相同的TLPs需要遵循的排序规则具体如下表：

先解释一下表格中的Yes, Y/N, No对应的含义：

Yes: 代表第二个事务必须在第一个事务之前通过，也就是强制性"超车";

Y/N: 没有排序要求；

No: 代表第二个事务绝对不允许在第一个事务之前通过，也就是"超车"违法.

我们解析一下表格中的A2b, B2, C2b, D2b的内容来阐述一下Relaxed-Ordering的效果：

A2b: 当RO=1, 也即Enable Relaxed-Ordering规则。此时，Memory Writes or Messages被允许超车之前的Memory Writes or Messages而抢先通过；

B2: 无论RO bit是否被置起来, Read Requests均不被允许超车之前的Memory Writes or Messages而抢先通过；

C2b: 当RO=1, IO writes和Configuration writes被允许超车之前的Memory Writes or Messages而抢先通过；

D2b: 当RO=1, Competitions被允许超车之前的Memory Writes or Messages而抢先通过；

ID-based Ordering(IDO):

IDO的模型是在PCIe V2.1版本之后新增的功能。该模型引入了"数据流"（Stream）的概念，即：

• 相同数据源发送的TLPs属于同一数据流；

• 不同数据源发送的TLPs属于不同的数据流；

IDO模型允许不同数据流的TLPs之间不必遵循事务排序的约定。

我们来看个例子：

• 设备1发送了Posted Write Request, 但是，此时Write Buffer已处于满的状态，所以Posted-Write被锁定在Switch。

• 随后，设备3发送了Non-Posted Read Request, 通过Switch时，正好撞到了上面表格B2所指规则(B2: 无论RO bit是否被置起来, Read Requests均不被允许超车之前的Memory Writes or Messages而抢先通过；), 所以，Read request同样被锁定在Switch。

此时，就要靠IDO这位大神出手咯~

依照IDO模型的思想，Posted Write request和Read request的数据源不一样，可以不遵循事务排序规则。

所以，当PCIe总线enable IDO功能时，Read request可以很开心的通过Switch，这个时候，Posted Write只有羡慕嫉妒恨的份儿咯~~~