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

在之前，我撰寫了一篇介紹PCIExpress: Link Training and Status State Machine(LTSSM)介紹有關LTSSM中各個state的介紹，接下來這篇文章會推演兩個端點之間的LTSSM是如何從Detect state演進到L0。PCIe的優點就是point-to-point interconnects(點對點的連接)，所以就算系統上由多層PCIe bus所構成，每個component只要負責與他對面的component之間的link negotiation就可以了，大大的降低複雜程度。

■ 前言

在PCIe spec當中有幾個名詞需要特別解釋一下，如Figure 1，Upstream Component為上游的device，Downstream Component為下游的device，而在Upstream Component下面所連接出去的port稱之為Downstream Port或者Downstream Lanes(簡稱DP)，Downstream Component上面所連接出去的port稱之為Upstream Port或者Upstream Lanes(簡稱UP)，所以在spec中提到的Downstream Port所指的是Upstream Component，Upstream Port所指的是Downstream Component，在閱讀spec這點要特別注意。

Figure 1

■ Detect -> Polling -> Configuration -> L0推演

Downstream Port和Upstream Port兩者的LTSSM狀態機是獨立的，所以有時候雙方並不是同一時間進入下一個state。接下來會使用類似時序圖的概念所做成的動畫來解釋LTSSM的演進。

=== 動畫1 ======

● Entry to Detect.Quiet

首先，如動畫1，雙方一開始link處於Electrical Idle的狀態，當雙方將要開始Link Training，雙方會離開Electrical Idle，直接進入Detect的substate Detect.Quiet，在Detect.Quiet state會以2.5 GT/s(Gen1)的速度作為初始速度，並且初始化所有registers，圖中的LinkUp、directed_speed_change、upconfigure_capable和idle_to_rlock_transitioned可以視為Physical Layer內部的register(not visible to software)。

● Entry to Detect.Active
然後在離開Electrical Idle 12ms之後，雙方則會進入Detect.Active，並且開始Receiver Detection的程序，Receiver Detection的介紹請參考文章開頭所貼的文章，基本上就是偵測對方的存在。

=== 動畫2 ======

● Entry to Polling.Active

在偵測到對方的存在之後，雙方則會進入Polling.Active。在Polling.Active state，會開始傳送TS1 Order Set(Training Sequence，詳細格式請參考文章開頭所附的文章)，並且Link Number(Symbol 1)和Lane Number(Symbol 2)設為PAD，表示不帶任何數字，這裡表示為PAD/PAD。

● Entry to Polling.Configuration

(1) 在至少要傳送1024筆TS1之後且 (2) 接收到8個Link/Lane number都為PAD的TS1或TS2，(3) 並且所傳送出去和所收到TS1或TS2都宣稱support相同的Data Rate Identifier(Symbol 4)，則下一個state會進入Polling.Configuration。

進入Polling.Configuration之後會開始傳送Link/Lane number為PAD/PAD的TS2。

註: 在Polling.Active進入到Polling.Configuration的條件中，顯示同時接受TS1或TS2，這是因為假如DP或UP其中一位已經先進入了Polling.Configuration並且開始傳送TS2，這樣另一位才會有機會進入Polling.Configuration 

● Entry to Configuration.Linkwidth.Start

(1)當接收到8個Link/Lane 設為 PAD 的TS2 且 (2)所傳送出去和所收到TS2都宣稱support相同的Data Rate Identifier，並且 (3)至少傳送了16筆TS2，則下一個state將會進入Configuration.Linkwidth.Start

註: 進入Configuration state之後，spec將UP和DP分開來描述，意味著UP和DP在相同的substate中可能會使用不同的判斷條件。

 

進入Configuration.Linkwidth.Start之後，DP和UP，兩者所傳送的TS1內容不一樣。DP會在傳送出去的TS1中任意選擇Link number的數字(動畫中假設為0)且Lane number繼續維持PAD，這裡我們直接描述為0/PAD，而UP則是繼續傳送PAD/PAD。

=== 動畫3 ======

● Entry to Configuration.Linkwidth.Accept

UP:

UP當前處於Configuration.Linkwidth.Start，當UP接收到2個連續的TS1中Link number非PAD且Lane number為PAD，表示為0/PAD，則下一個state則進入Configuration.Linkwidth.Accept，並且開始傳送TS1，且Link/Lane設成和所收到的TS1一樣號碼，動畫假設為0/PAD。

DP:

DP當前處於Configuration.Linkwidth.Start，當DP收到2個TS1中的Link number完全相符於DP所傳送出去的號碼，且Lane number為PAD，則下一個state則進入Configuration.Linkwidth.Accept。

註: 由上面的判斷式得知，UP必須要比DP優先進入Linkwidth.Start，DP才能進行到下一個state。

=== 動畫4 ======

● Entry to Configuration.Lanenum.Wait

DP:

DP當前在Configuration.Linkwidth.Accept state，如果再次接收到2個連續0/PAD的TS1，DP就可以確立目前Link Width是多少(動畫中假設為x4)，則下一個state會進入Configuration.Lanenum.Wait，並且在每個Lane上傳送不同的號碼，動畫中假設為0/0,1,2,3。

UP:

UP當前在Configuration.Linkwidth.Accept state，如果接收到2個連續TS1的Link number為0，且Lane number為任意的數字(非PAD)，則下一個state則會進入Configuration.Lanenum.Wait，並且開始傳送來自於DP所傳送的TS1中，相同的Lane number，動畫中假設為0/0,1,2,3。但如果UP在連接上如果有Lane Reversal，其實UP可以傳送相反方向的Lane number，如0/3,2,1,0。

=== 動畫5 ======

● DP entry to Configuration.Lanenum.Accept

DP:

DP當前在Configuration.Lanenum.Wait state，DP如果要進入Lanenum.Accept，這裡會有兩個判斷式，(1) 如果收到2筆連續TS1的Lane number不同於DP目前所傳送出去的Lane number號碼，且不是PAD 或 (2) 收到2筆連續TS1的Lane number完全相同於DP所傳送出去的Lane number號碼，則下一個state將會進入Configuration.Lanenum.Accept，這裡假設是進入判斷式(2)。 

註: 因此無論UP傳送什麼Lane number數值，DP都會進入Lanenum.Accept。

UP:

此時UP還處於Configuration.Lanenum.Wait，並且持續傳送0/0,1,2,3的TS1。

=== 動畫6 ======

● UP entry to Configuration.Lanenum.Accept and DP entry to Configuration.Complete

DP:

DP當前在Configuration.Lanenum.Accept，如果接收到兩筆連續TS1 Link/Lane都符合自己所傳送出去的值，則DP會進入Configuration.Complete，並且開始傳送0/0,1,2,3的TS2。

 

UP:

UP當前還處於Configuration.Lanenum.Wait，這邊UP也有兩個判斷式，(1) 如果接收到2筆連續TS1 Lane number不同於UP目前所傳送出去的Lane number號碼 或 (2) 接收到兩筆TS2，則UP會進入Configuration.Lanenum.Accept。這裡假設是進入判斷式(2)。

=== 動畫7 ======

● UP entry to Configuration.Complete

DP:

DP當前仍然處於Configuration.Complete。

UP:

UP當前還處於Configuration.Lanenum.Wait，如果接收到兩筆連續TS2 Link/Lane都符合自己所傳送出去的值，則UP會進入Configuration.Complete，並且開始傳送0/0,1,2,3的TS2。

=== 動畫8 ======

● Entry to Configuration.Idle

DP & UP: 

目前DP和UP都處於Configuration.Complete，且所有的Link/Lane number都已經確立，此時 (1)當雙方都接收到8個連續的TS2的Link/Lane符合雙方所傳送出去的值 且(2)有相同的Data Rate Identifier(Symbol4) 且 (3)連續傳送16筆TS2，則雙方都會進入Configuration.Idle state並且開始傳送Idle Data，並且設定LinkUp為1。 

=== 動畫9 ======

● Entry to L0

DP & UP: 

目前DP和UP都處於Configuration.Idle，如果(1)接收到8筆連續的TS2 Link/Lane number都相符於自己所傳送的值 且 (2)已經傳送連續16筆TS2，則雙方都會進入L0 state。

綠色的時間軸代表當Link一進入L0，就會馬上Initial Flow Control的Credit，由於Flow Control是Data Link Layer的protocol，所以獨立出來描述，請參考下面動畫10。

=== 動畫10 ======

UP當前處於FC_INIT1 state，在LinkUp設為1之後，將Data Link Layer state從DL_Inative轉移到DL_Init，並且傳送InitFC1 DLLP。DP收到之後立即進入FC_INIT1 state，並且回應InitFC2 DLLP。UP接收到InitFC2之後立即進入FC_INIT2 state並且傳送InitFC2 DLLP。DP收到InitFC2之後，會傳送UpdateFC DLLP給UP。UP收到UpdateFC後也會回覆UpdateFC DLLP給DP。

總結:

到此Link已經處於L0 state並且Link speed為Gen1(2.5 GT/s)，由於後面還有很多不同的故事，例如Lane Reversal在Configuration State會怎樣解決，或者是雙方都支援Gen3 Data Rate Identifier，則會進入到Recovery State做Equalization(EQ)等等，之後再用另外一篇文章來講解。

Reference:PCI Express® Base Specification Revision 3.0