簡介PCI Express: Link Training and Status State Machine( LTSSM 狀態機 )

PCIe LTSSM，全名為Link Training and Status State Machine，主要是用在PCIe中Physical Layer Link的初始化與設置，讓device之間建立起溝通橋梁。整個LTSSM狀態機總共有11個state，每個state又可以分為多個substates，所以整個狀態機的跳轉可以說是非常的錯綜且複雜且完善，此篇主要是前情提要，介紹一些名詞，之後會在用另外一個篇幅講解實際兩個PCIe Device LTSSM是如何運做的(更新:連結如下)。

原理PCI Express - LTSSM 狀態機推演 "Detect -> Polling -> Configuration -> L0"

原理PCI Express - LTSSM Equalization狀態機推演

■ Training Sequences

Traning Sequences Order Sets主要有兩種，分別為TS1和TS2，主要目的是為了建立Bit Lock和Symbol Lock和交換Physical Layer的參數。當Link運作在2.5 GT/s(Gen 1)或5 GT/s(Gen 2)時，TS1/TS2使用8b/10b編碼，8 GT/s則使用128b/130b編碼。

■ Link Data Rate Negotiation

PCIe Link主要可以分為三個Data Rates，分別為2.5 GT/s、5 GT/s和8 GT/s(目前已經有Gen4 16 GT/s、Gen5 32GT/s的出現，但由於我閱讀的版本為 Gen3 spec，所以範圍以Gen3為主)，每個link一開始必須以Gen1的Data Rate開始initial過程，在Training Sequence Ordered Set的Data Rate Identifier欄位就是用來標記device所有support的data rate。

 

■ Link Width and Lane Sequence Negotiation
PCIE link的組成方式必須要是1、2、4、8、12、16和32，也可以表達成x1(by one)、x2、x4、x8、x12、x16和x32，一個Link上所有的Lane必須以相同的頻率，同時地傳送資料。

在negotiation的過程當中，LTSSM會決定PCIe Port的link number和lane number，舉例來說，一個x16 Root Port可以分為兩個x8 Link接到不同的device，因此這兩個link的link number分別為0和1，然後lane number都是為0~7。那如果一個x16 Root Port，其中只有12個lanes有連接device，那剩餘4個lanes必須保持在Electrical Idle。

 

■ LTSSM Introduction

● Detect State

這個state主要是用來偵測另一頭有沒有device存在，Detect State又可以分為兩個substates，分別為Detect.Quiet和Detect.Active。

• Detect.Quiet: Quiet的狀態下，Tx會處於Electrical Idle的狀態，且起始會以2.5 GT/S的速度開始，也就是Gen1 Link Speed。

• Detect.Active: 在這個state，會perform一個叫做Receiver Detection Sequence。Receiver Detection Sequence首先會讓Transmitter處於一個穩定的電壓狀態，然後持續的對D+與D-增加電壓直到符合VTX-RCV-DETECT，另一放面持續的去偵測Receiver的高阻抗，然後用充電的曲線(rate)來判斷是否有device的存在。

● Polling State

在這個階段PCIe Port會開始傳送TS Order Set，並且回應所接收到的TS Order Set，且在這個state必須要建立Bit lock和Symbol lock。Polling又可以分為三個substates，分別為Polling.Active、Polling.Compliance和Polling.Configuration。

• Polling.Active: 在這個狀態下，Transmitter會開始傳送TS1 Order Set，並且將"Link Number" & "Lane number within Link"的欄位(參考上面TS1 Order Set的Symbol 1&2)，設為PAD(類似C語言的NULL的意思，只是初始值，沒有任何意義)，而且所有傳送的TS1中的Data Rate Identifier欄位必須將所有support的date rate設為1。

• Polling.Compliance: 這個state主要透過示波器、封包產生器或位元錯誤率測試儀用來做interoperability testing，舉例來說只有EE想要量測訊號才會需要進入此state，一般的link training是可以跳過這個狀態的。

• Polling.Configuration: 在上面有提到Polling.Active會傳送Lane/Link number為PAD/PAD的TS1，Polling.Configuration則是傳送Lane/Link number為PAD/PAD的TS2，所以Polling.Configuration的TS2有點像是TS1的Double Confirm 的概念。

● Configuration State

Configuration State主要任務是分配Port上所有的Lanes，且分組成個別獨立的Links，主要是透過TS1、TS2中的Link Number & Lane number within Link欄位來達成，與Polling State不一樣，這裡的Link/Lane number不再是PAD，而是實際的數字。

Configuration可以分為6個substates，分別為Configuration.Linkwidth.Start、Configuration.Linkwidth.Accept、Configuration.Lanenum.Wait、Configuration.Lanenum.Accept、Configuration.Complete和 Configuration.Idle。

P.S. Configuration State比較特別，spec中有分為DownStream Lanes和UpStream Lanes，且兩個角色的一些判斷rules會不太一樣，原因是因為從屬關係，很多事情必須要由Host來發動，舉例來說，Root Port底下接了一個PCIe device，那Root Port就是Host的腳色，也就是DownStream Lanes，且DownStream & UpStream 的每一個Lane的Tx & Rx都是同時在傳送與接收的。

• Configuration.Linkwidth.Start: 
• DownStream: 由於Downstream不知道現在port的連接如何，所以會以試探性的方式，在所傳送出的TS1中的Link number欄位選擇任意號碼做為初始值，然後Lane number維持PAD。

• UpStream: 傳送TS1，且Link/Lane number欄位保持PAD，並且在收到一定數量和條件的TS1後，比DownStream較早進入Linkwidth.Accept。

• Configuration.Linkwidth.Accept: 
• DownStream: 當DownStream接收一定數量的TS1中，Link Number欄位符合Linkwidth.Start state所傳出的號碼，那就可以形成一個Link Group。

• UpStream: 會根據在DownStream在Linkwidth.Start階段所發出的Link Number中，選定一個號碼作為此port的Link Number，因此會在傳送TS1中將Link Number欄位填入這個號碼，所以顧名思義，UpStream接受了(Accept)了這個Link Number。

• Configuration.Lanenum.Wait: 
• DownStream: 由於在Linkwidth.Accept的階段某些Lanes已經組成一個Link Group，因此DownStream會開始在這個階段傳送獨立的 Lane Number值到每個Lane上。

• UpStream: 會根據接收到的Lane number，直接回傳相同的號碼或者不同(Lane Reversal)，這裡spec有提到相同或不相同，都還是可以進入下一個state。

• Configuration.Lanenum.Accept: 
• 當接收到TS1 Link/Lane number都與自己所傳送的相符合，則會進入Configuration.Complete state。

• Configuration.Complete: 
• 接續Lanenum.Accept state，Complete階段會開始傳送相同的Link/Lane number，只是與Lanenum.Accept的差異在於Complete傳送的是TS2。

• Configuration.Idle: 
• 在這個state，雙方會開始傳送Idle Symbols，當接收到連續8個Idle Symbols後，則會進入L0。

■ Recovery State

Recovery State主要任務有幾個，(1)想要改變Data Rate，例如雙方都有宣稱自己support 高於Gen1 speed data rate，則會進入Recovery State 來training link speed to Gen3，(2)當Link開始不穩定的時候，可能會傳出format錯誤的TLP，這時候必須進入Recovery來重新建立Bit Lock、Symbol Lock和Lane-to-Lane de-skew。

Recovery 可以分為5個substates，分別為 Recovery.RcvrLock、Recovery.RcvrCfg、Recovery.Speed、Recovery.Idle和Recovery.Equalization。

• Recovery.RcvrLock: 在這個階段Up&Down會開始傳送TS1，其中Link/Lane Number必須要和Configuration.Complete階段所傳送的值相同。如果是為了升速，TS1 Symbol 4[7] "speed_change"欄位會設為1。

• Recovery.RcvrCfg: 在這個階段如果當前速度運行在2.5 GT/s(Gen1)，且是為了升速到5.0 GT/s(Gen2)，那必須在這個階段傳送TS2，Link/Lane number必須和RcvrLock的值相同，且speed_change bit必須為1。如果當前速度運行在8.0 GT/s(Gen3)，DownStream Port會在此階段傳送一個EQ TS2來通知UpStream，需要進入Recovery.Equalization state來進行Equalization的動作，Equalization 之後可能在另外寫一個章節來完整描述。

• Recovery.Speed: 在這個階段，表示Up&Down要開始進行升速的動作，當一進入這個state，會直接進入Electrical Idle的狀態，並且開始傳送EIOS，當升速成功雙方都會在自己的hardware register "successful_speed_negotiation" bit設為1，表示升速成功，否則為0。

• Recovery.Idle: 在這個階段會開始傳送Idle data，當符合一定數量和條件的data後則會進入L0。

 

 Reference:PCI Express® Base Specification Revision 3.0