PCIE状态机-LTSSM
一、PCIE LTSSM
LTSSM是指Link Training and Status State Machine，是PCIe物理层实现的，用于控制和管理PCIe总线上的数据链路。它提供了一组状态，以便设备进行链路训练和链接协商。
在PCIe总线上，发送端和接收端需要进行链路训练，以便确定最佳的链接速度和链接宽度。LTSSM的作用是控制这个过程，并在链路训练期间跟踪链路状态和错误。
LTSSM状态包括：Detect、Polling、Configuration、Recovery、L0、L0s、L1、L2、Hot Reset、Loopback和Disable。当设备之间开始建立连接时，LTSSM从Detect状态开始。然后，它进入Polling状态，等待对方回应确认连接。如果确认完成，则进入Configuration状态，进行链路配置。之后，LTSSM进入L0状态，表明链路处于活动状态。如果设备需要低功耗状态，则可以进入L0s或L1状态。如果出现错误，则可能会进入L2状态或Loopback状态进行修复。
1. 链路训练和状态机
物理层的链路训练和状态机（LTSSM）模块负责配置和初始化一个设备的物理层、端口的发送器和接收器以及相关的链路，以状态机来管理和描述这个过程。
下图展示了LTSSM的 11 个状态，这些状态可以分为以下 4 种类型：
（1）PCIe链路训练状态：Detect、Polling 和 Configuration状态。正常PCIe链路训练状态转换流程：Detect -> Polling -> Configuration -> L0；L0是PCIe链路可以正常工作的电源状态。
（2）PCIe链路重训练状态：Recovery 状态。进入这个状态因素很多，比如电源状态的变化，PCIe链路速率的变化等。
（3）电源管理状态：PCIe总线的电源状态主要有两部分内容。
- 基于软件控制的PCI-PM电源管理机制
- 基于硬件控制的ASPM（Active State Power Management）电源管理机制，是基于硬件自主控制的链路电源管理机制，只有在PCIe设备处于D0状态时才可以启动ASPM机制，与ASPM有关的链路状态有L0、L0s、L1 （包括L1.1和L1.2）和 L2。
（4）其它状态：Disable、Loopback 和 Hot Reset。
1.1 Detect 状态
Detect 状态是在基本复位或者软件产生的热复位命令后进入的初始状态，在复位80ms内进入这个状态。Detect状态也能从其它状态进入。如下图所示：
Detect有两个子状态：Detect.Quiet 和 Detect.Active。
1.1.1 Detect.Quiet 子状态
1.1.2 Detect.Active 子状态
我理解的Detect状态是有硬件实现的，且不需要发送PLP包，所有在Trace上看是没有Detect子状态的。
1.2 Polling 状态
Polling 状态是链路训练和初始化过程中的第一个时段，在这个过程中两相连设备互相发送PLP包（TS1 和 TS2 序列）。Polling 状态机共有 4 个子状态：
- Polling.Active：进行 Bit Lock 和 Symbol Lock；
- Polling.Compliance：进行 Compliance 合规性测试；
- Polling.Configuration：实现极性翻转（Lane Polarity Inversion）;
- Polling.Speed：确定链路速率。
- Bit Lock：在Bit传输过程中，RX PLL锁定TX Clock频率，这个过程称为RX实现“Bit Lock”
- Symbol Lock：RX端串并转化器知道如何区分一个有效的10-bit Symbol，这个过程称为“Symbol Lock”，这里用到的是COM控制符。
1.2.1 Polling.Active 子状态
1.2.2 Polling.Configuration 子状态
在 Polling.Active 状态下至少发送1024个TS1 来实现 Bit/Symbol Lock。由于发送端和接收端不是同时退出Detect状态，所以从Trace上看TS1序列交流可能不会同步。随后发送8个TS2有序集，进入Polling.Configuration状态，在这个状态下完成Polarity Inversion极性反转。并进入下一个状态Configuration。
1.2.3 Polling.Speed 子状态
1.2.4 Polling.Compliance 子状态
1.3 Configuration 状态
本状态的主要功能是为每一条Lane分配链路号和通路号，去除同一个链路各通路间的时差。上游设备往所有下游通路上发送TS1，下游设备也返回TS1，以此进行链路编号和通路编号。在Link Number 和 Lane Number 成功完成之后，双方再互相发送TS2进行确认。
Configuration包含6个子状态：
- Configuration.Linkwidth.Stat
- Configuration.Linkwidth.Accept
- Configuration.Lanenum.Wait
- Configuration.Lanenum.Accept
- Configuration.Complete
- Configuration.Idle
1.3.1 Link Number 协商
Downstream在TS1中设定Link Number，此时Lane Number为PAD，并发送给Upstream。
此时Upstream回复的第一个TS1，Link Number还是PAD。
1.3.2 Lane Number 协商
当 Downstream 看到 Upstream 返回的TS1中 Link number 已经是设定值，那么久认为Link num已经协商成功，然后就开始准备设定 Lane number，此时 Downstream 链路也进入Configuration.Linkwidth.Accept状态。
Lane Number 协商过程跟 Link Number 一样，在TS1 中包含了已设定的Link Number 和将要设定的 Lane Number。
Downstream 接收到 Upstream 返回的TS1 的 Lane Number 已经是设定值，Lane Number就协商完成了，接下来进入Configuration.Complete状态。
1.3.3 确认Link/Lane Number
Downstram 和 Upstream 双方通过发送 TS2 序列，对之前设定的Link/Lane number进行确认，这个过程LTSSM处于Configuration.Complete状态， 确认没有问题之后，就准备进入下一个状态。
1.4 L0 状态
当进入这个状态时，PCIe链路就可以愉快的开始正常工作了。这个状态可以传输TLP，DLLP等报文。
1.5 L0s 状态
表示设备处于低功耗状态，但仍能在短时间内快速恢复到L0状态，以响应来自系统的请求。
1.6 L1 状态
表示设备处于更加严格的低功耗模式，需要一些时间才能恢复到L0状态。在L1状态下，设备仍然保持接收来自系统的信号，但不会进行数据传输。
1.7 L2 状态
表示设备处于最低功耗模式，需较长时间才能从其恢复，此时设备已无法响应来自系统的信号。在L2状态下，设备会关闭其传输通道，以达到最低功耗状态。
1.8 Recovery 状态
当PCIe链路需要重新训练时，进入Recovery状态。主要有以下几种情况：
（1）PCIe链路信号发现error，需要调整 Bit Lock 和 Symbol Lock；
（2）从L0s或者L1低功耗电源状态退出；
（3）Speed Change。因为第一次进入L0状态时，PCIe链路速率是2.5GT/s。当需要调整更高（5.0GT/s或8.0GT/s）速率时，需要进入Recovery状态进行Speed Change。这个阶段 Bit Lock、Symbol Lock都需要重新获取；
（4）需要重新调整PCIe链路的Width；
（5）软件触发 Retrain 操作;
（6）仅在Gen3和Gen4，需要重新进行Equaalization。
我们结合一个上电过程中Gen1提速至Gen3的时序来解读一下Recovery状态的转换：
a. Downstream率先进入Recovery.RcvrLock状态, 之后向Upstream持续发送TS1并且将speed_change bit设置为1;
b. Upstream端看到TS1进来之后，也跟着进入Recovery.RcvrLock状态，同时回传TS1序列，不过此时，speed_change bit仍为0. 当Upstream接收达到连续8个TS1且speed_change bit设置为1，这时，Upsteam回传的TS1、TS2中speed_change bit设置为1，并告诉Downstream建议工作速率，接着进入Recovery.RcvrCfg状态;
c. Downstream收到Upstream建议的速率反馈之后，也返回TS2序列，并发送EIOS序列，准备进入Electrical Idle. 此时，LTSSM处于Recovery.RcvrCfg状态;
d. 之后，Downstream 和 Upstream相继进入Electrical Idle, LTSSM处于Recovery.Speed状态;
e. 经过一段时间timeout(Spec要求至少800ns)，Upstream发送EIEOS, 退出Electrical Idle, 尝试跑最高速率8GT/s;
f. 接着 Downstream 也退出Electrical Idle, 尝试跑试跑最高速率8GT/s;
g. 最后，双方开始进行EQ。EQ之后，PCIe链路就可以回到正常工作状态。
1.9 Hot Reset 状态
当某个PCIe设备发生错误时，我们有时候需要通过软件的方式对设备进行复位，这个方式就是Hot Reset。发送器在下游端口的所有Lane上连续发送Hot Reset 位为1的TS1序列。当接收器收到至少2个带有Hot Reset的位为1的TS1时，然后通过Recovery进入Hot Reset。
Hot Reset的指令是在TS1序列中体现，如下图：
Hot Reset触发之后，LTSSM会进入Recovery和Hot Reset状态，之后会到Detect状态，PCIe链路开始重新训练。
1.10 Disable 状态
用户可以通过设置修改Link Control寄存器，让PCIe链路处于Disabled状态。当退出Disabled状态后，LTSSM回到Dectect，PCIe链路重新训练。
当PCIe设备的驱动程序在系统启动时没有正确加载或出现故障时，该设备可能会进入PCIe Disable状态。在这种情况下，该设备将被禁用，并且无法使用。
1.11 Loopback 状态
PCIe Loopback状态是指在PCIe总线上使用一对物理或逻辑通道之间的默认“回环”路径进行数据传输的状态。这种状态被用于测试和诊断PCIe设备和总线的状况。在PCIe Loopback状态下，设备发送和接收数据，但数据不会离开设备，而是通过物理或逻辑通道返回到发送设备。这个过程可以测试设备的发送和接收能力，以及信号的质量和延迟。PCIe Loopback状态可用于测试所有PCIe层，包括物理层、数据链路层和传输层。
