4.2 PCIe体系结构的组成部件 分类： 浅谈PCI-E 2013-07-22 16:27 636人阅读 评论(0) 收藏
PCIe总线作为处理器系统的局部总线，其作用与PCI总线类似，主要目的是为了连接处理器系统中的外部设备，当然PCIe总线也可以连接其他处理器系统。在不同的处理器系统中，PCIe体系结构的实现方法略有不同。但是在大多数处理器系统中，都使用了RC、Switch和PCIe-to-PCI桥这些基本模块连接PCIe和PCI设备。在PCIe总线中，基于PCIe总线的设备，也被称为EP(Endpoint)。
4.2.1 基于PCIe架构的处理器系统
在不同的处理器系统中，PCIe体系结构的实现方式不尽相同。PCIe体系结构以Intel的x86处理器为蓝本实现，已被深深地烙下x86处理器的印记。在PCIe总线规范中，有许多内容是x86处理器独有的，也仅在x86处理器的Chipset中存在。在PCIe总线规范中，一些最新的功能也在Intel的Chipset中率先实现。本节将以一个虚拟的处理器系统A和PowerPC处理器为例简要介绍RC的实现，并简单归纳RC的通用实现机制。
1 处理器系统A
在有些处理器系统中，没有直接提供PCI总线，此时需要使用PCIe桥，将PCIe链路转换为PCI总线之后，才能连接PCI设备。在PCIe体系结构中，也存在PCI总线号的概念，其编号方式与PCI总线兼容。一个基于PCIe架构的处理器系统A如图4?7所示。
在上图的结构中，处理器系统首先使用一个虚拟的PCI桥分离处理器系统的存储器域与PCI总线域。FSB总线下的所有外部设备都属于PCI总线域。与这个虚拟PCI桥直接相连的总线为PCI总线0。这种架构与Intel的x86处理器系统较为类似。
在这种结构中，RC由两个FSB-to-PCIe桥和存储器控制器组成。值得注意的是在图4?7中，虚拟PCI桥的作用只是分离存储器域与PCI总线域，但是并不会改变信号的电气特性。RC与处理器通过FSB连接，而从电气特性上看，PCI总线0与FSB兼容，因此在PCI总线0上挂接的是FSB-to-PCIe桥，而不是PCI-to-PCIe桥。
在PCI总线0上有一个存储器控制器和两个FSB-to-PCIe桥。这两个FSB-to-PCIe桥分别推出一个×16和×8的PCIe链路，其中×16的PCIe链路连接显卡控制器(GFX)，其编号为PCI总线1；×8的PCIe链路连接一个Switch进行PCIe链路扩展。而存储器控制器作为PCI总线0的一个Agent设备，连接DDR插槽或者颗粒。
此外在这个PCI总线上还可能连接了一些使用“PCI配置空间”管理的设备，这些设备的访问方法与PCI总线兼容，在x86处理器的Chipset中集成了一些内嵌的设备。这些内嵌的设备使用均使用“PCI配置空间”进行管理，包括存储器控制器。
PCIe总线使用端到端的连接方式，因此只有使用Switch才能对PCIe链路进行扩展，而每扩展一条PCIe链路将产生一个新的PCI总线号。如图4?7所示，Switch可以将1个×8的PCIe端口扩展为4个×2的PCIe端口，其中每一个PCIe端口都可以挂接EP。除此之外PCIe总线还可以使用PCIe桥，将PCIe总线转换为PCI总线或者PCI-X总线，之后挂接PCI/PCI-X设备。多数x86处理器系统使用这种结构连接PCIe或者PCI设备。
在PCIe总线规范中并没有明确提及PCIe主桥，而使用RC概括除了处理器之外的所有与PCIe总线相关的内容。在PCIe体系结构中，RC是一个很模糊也很混乱的概念。Intel使用PCI总线的概念管理所有外部设备，包括与这些外部设备相关的寄存器，因此在RC中包含一些实际上与PCIe总线无关的寄存器。使用这种方式有利于系统软件使用相同的平台管理所有外部设备，也利于平台软件的一致性，但是仍有其不足之处。
2 PowerPC处理器
PowerPC处理器挂接外部设备使用的拓扑结构与x86处理器不同。在PowerPC处理器中，虽然也含有PCI/PCIe总线，但是仍然有许多外部设备并不是连接在PCI总线上的。在PowerPC处理器中，PCI/PCIe总线并没有在x86处理器中的地位。在PowerPC处理器中，还含有许多内部设备，如TSEC(Three Speed Ethenet Controller)和一些内部集成的快速设备，与SoC平台总线直接相连，而不与PCI/PCIe总线相连。在PowerPC处理器中，PCI/PCIe总线控制器连接在SoC平台总线的下方。
Freescale即将发布的P4080处理器，采用的互连结构与之前的PowerPC处理器有较大的不同。P4080处理器是Freescale第一颗基于E500 mc内核的处理器。E500 mc内核与之前的E500 V2和V1相比，从指令流水线结构、内存管理和中断处理上说并没有本质的不同。E500mc内核内置了一个128KB大小的L2 Cache，该Cache连接在BSB总线上；而E500 V1/V2内核中并不含有L2 Cache，而仅含有L1 Cache而且与FSB直接相连。在E500mc内核中，还引入了虚拟化的概念。在P4080处理器中，一些快速外部设备，如DDR控制器、以太网控制器和PCI/PCIe总线接口控制器也是直接或者间接地连接到CoreNet中，在P4080处理器，L3 Cache也是连接到CoreNet中。P4080处理器的拓扑结构如图4?8所示。
目前Freescale并没有公开P4080处理器的L1、L2和L3 Cache如何进行Cache共享一致性。多数采用CoreNet架构互连的处理器系统使用目录表法进行Cache共享一致性，如Intel的Nehelem EX处理器。P4080处理器并不是一个追求峰值运算的SMP处理器系统，而针对Da
如图4?8所示，P4080处理器的设计重点并不是E500mc内核，而是CoreNet。CoreNet内部由全互连网络组成，其中任意两个端口间的通信并不会影响其他端口间的通信。与MPC8548处理器相同，P4080处理器也使用OceaN[1]结构连接PCIe与RapidIO接口。
在P4080处理器中不存在RC的概念，而仅存在PCIe总线控制器，当然也可以认为在P4080处理器中，PCIe总线控制器即为RC。P4080处理器内部含有3个PCIe总线控制器，如果该处理器需要连接更多的PCIe设备时，需要使用Switch扩展PCIe链路。
在P4080处理器中，所有外部设备与处理器内核都连接在CoreNet中，而不使用传统的SoC平台总线[2]进行连接，从而在有效提高了处理器与外部设备间通信带宽的同时，极大降低了访问延时。此外P4080处理器系统使用PAMU(Peripheral Access Management Unit)分隔外设地址空间与CoreNet地址空间。在这种结构下，10GE/1GE接口使用的地址空间与PCI总线空间独立。
P4080处理器使用的PAMU是对MPC8548处理器ATMU的进一步升级。使用这种结构时，外部设备使用的地址空间、PCI总线域地址空间和存储器域地址空间的划分更加明晰。在P4080处理器中，存储器控制器和存储器都属于一个地址空间，即存储器域地址空间。此外这种结构还使用OCeaN连接SRIO[3]和PCIe总线控制器，使得在OCeaN中的PCIe端口之间[4]可以直接通信，而不需要通过CoreNet，从而减轻了CoreNet的负载。
从内核互连和外部设备互连的结构上看，这种结构具有较大的优势。但是采用这种结构需要使用占用芯片更多的资源，CoreNet的设计也十分复杂。而最具挑战的问题是，在这种结构之下，Cache共享一致性模型的设计与实现。在Boxboro EX处理器系统中，可以使用QPI将多个处理器系统进行点到点连接，也可以组成一个全互连的处理器系统。这种结构与P4080处理器使用的结构类似，但是Boxboro EX处理器系统包含的CPU更多。
3 基于PCIe总线的通用处理器结构
在不同的处理器系统中，RC的实现有较大差异。PCIe总线规范并没有规定RC的实现细则。在有些处理器系统中，RC相当于PCIe主桥，也有的处理器系统也将PCIe主桥称为PCIe总线控制器。而在x86处理器系统中，RC除了包含PCIe总线控制器之外，还包含一些其他组成部件，因此RC并不等同于PCIe总线控制器。
如果一个RC中可以提供多个PCIe端口，这种RC也被称为多端口RC。如MPC8572处理器的RC可以直接提供3条PCIe链路，因此可以直接连接3个EP。如果MPC8572处理器需要连接更多EP时，需要使用Switch进行链路扩展。
而在x86处理器系统中，RC并不是存在于一个芯片中，如在Montevina平台中，RC由MCH和ICH两个芯片组成。本节并不对x86和PowerPC处理器使用的PCIe总线结构做进一步讨论，而只介绍这两种结构的相同之处。一个通用的，基于PCIe总线的处理器系统如图4?9所示。
上图所示的结构将PCIe总线端口、存储器控制器等一系列与外部设备有关的接口都集成在一起，并统称为RC。RC具有一个或者多个PCIe端口，可以连接各类PCIe设备。PCIe设备包括EP(如网卡、显卡等设备)、Switch和PCIe桥。PCIe总线采用端到端的连接方式，每一个PCIe端口只能连接一个EP，当然PCIe端口也可以连接Switch进行链路扩展。通过Switch扩展出的PCIe链路可以继续挂接EP或者其他Switch。
4.2.2 RC的组成结构
RC是PCIe体系结构的一个重要组成部件，也是一个较为混乱的概念。RC的提出与x86处理器系统密切相关。事实上，只有x86处理器才存在PCIe总线规范定义的“标准RC”，而在多数处理器系统，并不含有在PCIe总线规范中涉及的，与RC相关的全部概念。
不同处理器系统的RC设计并不相同，在图4?7中的处理器系统中，RC包括存储器控制器、两个FSB-to-PCIe桥。而在图4?8中的PowerPC处理器系统中，RC的概念并不明晰。在 PowerPC处理器中并不存在真正意义上的RC，而仅包含PCIe总线控制器。
在x86处理器系统中，RC内部集成了一些PCI设备、RCRB(RC Register Block)和Event Collector等组成部件。其中RCRB由一系列“管理存储器系统”的寄存器组成，而仅存在于x86处理器中；而Event Collector用来处理来自PCIe设备的错误消息报文和PME消息报文。RCRB寄存器组属于PCI总线域地址空间，x86处理器访问RCRB的方法与访问PCI设备的配置寄存器相同。在有些x86处理器系统中，RCRB在PCI总线0的设备0中。
RCRB是x86处理器所独有的，PowerPC处理器也含有一组“管理存储器系统”的寄存器，这组寄存器与RCRB所实现的功能类似。但是在PowerPC处理器中，该组寄存器以CCSRBAR寄存器为基地址，处理器采用存储器映像方式访问这组寄存器。
如果将RC中的RCRB、内置的PCI设备和Event Collector去除，该RC的主要功能与PCI总线中的HOST主桥类似，其主要作用是完成存储器域到PCI总线域的地址转换。但是随着虚拟化技术的引入，尤其是引入MR-IOV技术之后，RC的实现变得异常复杂。
但是RC与HOST主桥并不相同，RC除了完成地址空间的转换之外，还需要完成物理信号的转换。在PowerPC处理器的RC中，来自OCeaN或者FSB的信号协议与PCIe总线信号使用的电气特性并不兼容，使用的总线事务也并不相同，因此必须进行信号协议和总线事务的转换。
在P4080处理器中，RC的下游端口可以挂接Switch扩展更多的PCIe端口，也可以只挂接一个EP。在P4080处理器的RC中，设置了一组Inbound和Outbound寄存器组，用于存储器域与PCI总线域之间地址空间的转换；而P4080处理器的RC还可以使用Outbound寄存器组将PCI设备的配置空间直接映射到存储器域中。PowerPC处理器在处理PCI/PCIe接口时，都使用这组Inbound和Outbound寄存器组。
在P4080处理器中，RC可以使用PEX_CONFIG_ADDR与PEX_CONFIG_DA
而x86处理器的RC设计与PowerPC处理器有较大的不同，实际上和大多数处理器系统都不相同。x86处理器赋予了RC新的含义，PCIe总线规范中涉及的RC也以x86处理器为例进行说明，而且一些在PCIe总线规范中出现的最新功能也在Intel的x86处理器系统中率先实现。在x86处理器系统中的RC实现也比其他处理器系统复杂得多。深入理解x86处理器系统的RC对于理解PCIe体系结构非常重要。
4.2.3 Switch
本篇在第4.1.4节，简单介绍了在PCIe总线中，如何使用Switch进行链路扩展，本节主要介绍Switch[5]的内部结构。从系统软件的角度上看，每一个PCIe链路都占用一个PCI总线号，但是一条PCIe链路只能连接一个PCI设备，Switch、EP或者PCIe桥片。PCIe总线使用端到端的连接方式，一条PCIe链路只能连接一个设备。
一个PCIe链路需要挂接多个EP时，需要使用Switch进行链路扩展。一个标准Switch具有一个上游端口和多个下游端口。上游端口与RC或者其他Switch的下游端口相连，而下游端口可以与EP、PCIe-to-PCI-X/PCI桥或者下游Switch的上游端口相连。
PCIe总线规范还支持一种特殊的连接方式，即Crosslink连接方式。使用这种方式时，Switch的下游端口可以与其他Switch的下游端口直接连接，上游端口也可以其他Switch的上游端口直接连接。在PCIe总线规范中，Crosslink连接方式是可选的，并不要求PCIe设备一定支持这种连接方式。
在PCIe体系结构中，Switch的设计难度仅次于RC，Switch也是PCIe体系结构的核心所在。而从系统软件的角度上看，Switch内部由多个PCI-to-PCI桥组成，其中每一个上游和下游端口都对应一个虚拟PCI桥。在一个Switch中有多个端口，在其内部就有多少个虚拟PCI桥，就有多少个PCI桥配置空间。值得注意的是，在Switch内部还具有一条虚拟的PCI总线，用于连接各个虚拟PCI桥，系统软件在初始化Switch时，需要为这条虚拟PCI总线编号。Switch的组成结构如图4?10所示。
Switch[6]需要处理PCIe总线传输过程中的QoS问题。PCIe总线的QoS要求PCIe总线区别对待优先权不同的数据报文，而且无论PCIe总线的某一个链路多么拥塞，优先级高的报文，如等时报文(Isochronous Packet)都可以获得额定的数据带宽。而且PCIe总线需要保证优先级较高的报文优先到达。PCIe总线采用虚拟多通路VC技术[7]，并在这些数据报文设定一个TC(Traffic Class)标签，该标签由3位组成，将数据报文根据优先权分为8类，这8类数据报文可以根据需要选择不同的VC进行传递。
在PCIe总线中，每一条数据链路上最多可以支持8个独立的VC。每个VC可以设置独立的缓冲，用来接收和发送数据报文。在PCIe体系结构中，TC和VC紧密相连，TC与VC之间的关系是“多对一”。
TC可以由软件设置，系统软件可以选择某类TC由哪个VC进行传递。其中一个VC可以传递TC不相同的数据报文，而TC相同的数据报文在指定一个VC传递之后，不能再使用其他VC。在许多处理器系统中，Switch和RC仅支持一个VC，而x86处理器系统和PLX的Switch中可以支持两个VC。
下文将以一个简单的例子说明如何使用TC标签和多个VC，以保证数据传送的服务质量。我们将PCIe总线的端到端数据传递过程模拟为使用汽车将一批货物从A点运送到B点。如果我们不考虑服务质量，可以采用一辆汽车运送所有这些货物，经过多次往返就可以将所有货物从A点运到B点。但是这样做会耽误一些需要在指定时间内到达B点的货物。有些货物，如一些急救物资、EMS等其他优先级别较高的货物，必须要及时地从A点运送到B点。这些急救物资的运送应该有别于其他普通物资的运送。
为此我们首先将不同种类的货物进行分类，将急救物资定义为TC3类货物，EMS定义为TC2类货物，平信定义为TC1类货物，一般包裹定义为TC0类货物，我们最多可以提供8种TC类标签进行货物分类。
之后我们使用8辆汽车，分别是VC0~7运送这些货物，其中VC7的速度最快，而VC0的速度最慢。当发生堵车事件时，VC7优先行驶，VC0最后行驶。然后我们使用VC3运送急救物资，VC2运送EMS，VC1运送平信，VC0运送包裹，当然使用VC0同时运送平信和包裹也是可以的，但是平信或者包裹不能使用一种以上的汽车运送，如平信如果使用了VC1运输，就不能使用VC0。因为TC与VC的对应关系是“多对一”的关系。
采用这种分类运输的方法，我们可以做到在A点到B点带宽有限的情况下，仍然可以保证急救物资和EMS可以及时到达B点，从而提高了服务质量。
PCIe总线除了解决数据传送的QoS问题之外，还进一步考虑如何在链路传递过程中，使用流量控制机制防止拥塞。
在PCIe体系结构中，Switch处于核心地位。PCIe总线使用Switch进行链路扩展，在Switch中，每一个端口对应一个虚拟PCI桥。深入理解PCI桥是理解Switch软件组成结构的基础。目前PCIe总线提出了MRA-Switch的概念，这种Switch与传统Switch有较大的区别。
4.2.4 VC和端口仲裁
在Switch中存在多个端口，其中来自不同Ingress端口的报文可以发向同一个Egress端口，因此Switch必须要解决端口仲裁和路由选径的问题。所谓端口仲裁指来自不同Ingress端口的报文到达同一个Egress端口的报文通过顺序，端口仲裁机制如图4?11所示。
在一个Switch中设有仲裁器，该仲裁器规定了数据报文通过Switch的规则。在PCIe总线中存在两种仲裁机制，分别是基于VC和基于端口的仲裁机制。端口仲裁机制主要针对RC和Switch，当多个Ingress端口需要向同一个Egress端口发送数据报文时需要进行端口仲裁。具体地讲，在PCIe体系结构中有三个端口，需要进行端口仲裁。
- Switch的Egress端口。当EP A和EP B同时访问EP C，D或者DDR-SDRAM时，需要通过Switch的Egress端口C。此时Switch需要进行端口仲裁确定是EP A的数据报文还是EP B的数据报文优先通过Egress端口C。
- 多端口RC的Egress端口。当RC的端口1和端口3同时访问Endpoint C时，RC的端口2需要进行端口仲裁，决定来自RC哪个端口的数据可以率先通过。
- RC通往主存储器的端口。当RC的端口1、端口2和端口3同时访问DDR控制器时，这些数据报文将通过RC的Egress端口4，此时需要进行端口仲裁。
在PCIe体系结构中，链路的端口仲裁需要根据每一个VC独立设置，而且可以使用不同的算法进行端口仲裁。
下文以图4?11中，Switch的两个Ingress端口A和B向Egress端口C发送数据报文为例，简要说明端口仲裁和VC仲裁的使用方法，其过程如图4?12所示。
基于VC的仲裁是指发向同一个端口的数据报文，根据使用的VC而进行仲裁的方式。如上图所示，当来自端口B和端口A数据报文(分别使用VC0和VC1通路)在到达端口C之前，需要首先进行端口仲裁后，才能进行VC仲裁。PCIe总线规定了3种VC仲裁方式, 分别为Strict Priority，RR(Round Robin)和WRR(Weighted Round Robin)算法。
当使用Strict Priority仲裁方式时，发向VC7的数据报文具有最高的优先级，而发向VC0的数据报文优先级最低。PCIe总线允许对Switch或者RC的部分VC采用Strict Priority方式进行仲裁，而对其他VC采用RR和WRR算法，如VC7~4采用Strict Priority方式，而采用其他方式处理VC3~0。
使用RR方式时，所有VC具有相同的优先级，所有VC轮流使用PCIe链路。WRR方式与RR算法类似，但是可以对每一个VC进行加权处理，采用这种方式可以适当提高VC7的优先权，而将VC0的优先权适当降低。
我们假定Ingress端口A和Ingress B向Egress端口C进行数据传递时，使用两个VC通路，分别是VC0和VC1。其中标签为TC0～3的数据报文使用VC0传送，而标签为TC4～7数据报文使用VC1传送。
而数据报文在离开Egress端口C时，需要首先进行端口仲裁，之后再通过VC仲裁，决定哪个报文优先传送。数据报文从Ingress A/B端口发送到Egress C端口时，将按照以下步骤进行处理。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
PCIe总线规定，系统设计者可以使用以下三种方式进行端口仲裁。
(1)
(2)
(3)
PCIe设备的Capability寄存器规定了端口仲裁使用的算法。有些PCIe设备并没有提供多种端口仲裁算法，可能也并不含有Capability寄存器。此时该PCIe设备使用Hardware-fixed仲裁策略。
4.2.5 PCIe-to-PCI/PCI-X桥片
本篇将PCIe-to-PCI/PCI-X桥片简称为PCIe桥片。该桥片有两个作用。
- 将PCIe总线转换为PCI总线，以连接PCI设备。在一个没有提供PCI总线接口的处理器中，需要使用这类桥片连接PCI总线的外设。许多PowerPC处理器在提供PCIe总线的同时，也提供了PCI总线，因此PCIe-to-PCI桥片对基于PowerPC处理器系统并不是必须的。
- 将PCI总线转换为PCIe总线(这也被称为Reverse Bridge)，连接PCIe设备。一些低端的处理器并没有提供PCIe总线，此时需要使用PCIe桥将PCI总线转换为PCIe总线，才能与其他PCIe设备互连。这种用法初看比较奇怪，但是在实际应用中，确实有使用这一功能的可能。本节主要讲解PCIe桥的第一个作用。
PCIe桥的一端与PCIe总线相连，而另一端可以与一条或者多条PCI总线连接。其中可以连接多个PCI总线的PCIe桥也被称为多端口PCIe桥。
PCIe总线规范提供了两种多端口PCIe桥片的扩展方法。多端口PCIe桥片指具有一个上游端口和多个下游端口的桥片。其中上游端口连接PCIe链路，而下游端口推出PCI总线，连接PCI设备。
目前虽然PCIe总线非常普及，但是仍然有许多基于PCI总线的设计，这些基于PCI总线的设计可以通过PCIe桥，方便地接入到PCIe体系结构中。目前有多家半导体厂商可以提供PCIe桥片，如PLX、NXP、Tundra和Intel。就功能的完善和性能而言，Intel的PCIe桥无疑是最佳选择，而PLX和Tundra的PCIe桥在嵌入式系统中得到了广泛的应用。
[1] OCeaN是一个基于交叉矩阵的总线结构，连接在OCeaN中的外部设备可以直接通信，而不相互干扰。
[2] 这种方式也可以被认为是SoC平台总线从共享总线结构升级到Switch结构。
[3] SRIO为串型RapidIO。
[4] PCIe端口之间的直接通信过程也被称为Peer-to-Peer传送方式。
[5] PCIe总线中的Switch与网络应用的Switch的功能并不相同，而与网络应用中的Route功能接近。
[6] 在PCIe体系结构中，RC和EP也需要处理QoS。
[7] 有关多通路VC的详细说明见第9章。
[8] 该表存在于PCI Express Extended Capabilities结构中。
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