PCI Express学习篇---链路层(一)ACK/NAK协议介绍

声明：此文章为原创，转载请注明 转自https://blog.csdn.net/weixin_48180416/article/details/117390013

数据链路层是为了保障TLP包的可靠传输，尽管Spec中规定了误码率小于10^-12，但是仍然会发生错误带来一些问题，单个bit的错误会使整个数据包被损坏。速率的提升会使这个问题更加显著。

为了实现链路层的保护，引入错误检测的编码---LCRC，计算范围是Sequence Number+TLP header+payload+ECRC。

接收端需要检查LCRC是否正确，Sequence Number是否正确，Receiver端通过ACK包告知接收到了正确的TLP包，通过NAK告知接收到了错误的TLP包。

以下介绍实现ACK/NAK协议的组件

发送端：

• NEXT_TRANSMIT_SEQ: 记录下一个要发送的Sequence Number的值，最大值是4095之后会回0；
• LCRC Generator: 产生32bit CRC, 计算范围包含TLP和Seq；
• Replay Buffer: 按照发送的顺序存储TLP，包含Seq(2B)+Header(up to 16B)+Optional Payload(up to 4KB)+Optional ECRC(4B)+LCRC(4B)，当收到ACK时会清除replay buffer内Seq小于或等于ACK包Seq的TLP，设计中允许一个ACK代表多个成功的TLP；当收到NAK时会清除replay buffer内Seq小于或等于NAK包Seq的TLP（因为NAK记录的是最后一个正确TLP的Seq），然后重传replay buffer中的所有TLP；
• REPLAY_TIMER: 实质上是一个看门狗计数器，当timeout时还是没有收到ACK/NAK包就会replay并且restart；
• REPLAY_NUM: 2bit Counter, 记录重传的次数，当从11 roll over到00（说明replay了4次），数据链路层就会自动force物理层重新训练状态机（LTSSM会进入Recovery状态）；
• ACKD_SEQ: 12bit寄存器，存储着最近收到的ACK/NAK的Seq,如果收到的ACK/NAK是"later Sequence Number"(可能存在4095->0 roll over的情况）可以认为是forward progress, 这个时候就可以清除replay buffer里面的TLP(replay buffer Seq <= ACK/NAK Seq)，复位REPLAY_TIMER和REPLAY_NUM；
• DLLP CRC Check: 检查DLLP的16bit CRC, 如果检测到错误，DLLP会丢弃并且会报告Correctable Error，DLLP包没有重传和校正的机制，只能期待下一个成功的ACK/NAK DLLP。

注：NEXT_TRANSMIT_SEQ - ACKD_SEQ不允许大于总Counter的一半，例如NEXT_TRANSMIT_SEQ - ACKD_SEQ = 2048时，链路层就不会从事务层接收TLP，直到有新的回应。如果发生了超过一半的情况，数据链路层会报告protocol error。

接收端：

收到的TLP会先检查LCRC错误，然后检查Sequence Number。如果没有错误的话TLP会传递到事务层，如果有错误，TLP会丢弃并且scheduled NAK除非已经有NAK outstanding。

• LCRC Error Check:检查LCRC错误，如果计算的LCRC和TLP的LCRC不匹配，说明TLP中有bit错误，就会丢弃TLP并且发NAK；
• NEXT_RCV_SEQ（NRS）: 12bit计数器，跟踪下一个期待接收的Seq Num, TLP有CRC错误或无效包("nullified")或Seq Num Check有错误，就不会传到事务层，并且不会增加这个计数器；
• Sequence Number Check:检查完LCRC OK后，检查接收的TLP Seq Num与NRS是否一致，存在以下三种情况：

1. TLP Seq Num equal NRS：Good TLP，是正确的情况，当AckNak_LATENCY_TIMERS expire时，发送ACK包，包含最后一包good TLP的Seq Num（即NRS-1）；
2. TLP Seq Num earlier than NRS: Duplicate TLP，是以前发送过的重复包，NRS - TLP Seq Num不超过2048，不认为是错误，silently dropped并且发送一个带有Seq Num为（NRS-1）的ACK包；
3. TLP Seq Num later than NRS: Invalid TLP，发生丢包的情况，会发送Nak，如果没有Nak outstanding。

由于4095后Seq Num会roll over,所以实际的范围是这样定义的：（以NRS=30/31/32为例）

• NAK_SCHEDULED Flag: 当接收端schedule NAK的时候会置此标志位为1，当成功发送了一个带有Seq Num为（NRS-1）的NAK包后清零。目的是有outstanding NAK就不需要再发送NAK包；
• AckNak_LATENCY_TIMER:接收到一个正确TLP后开始计数，当timer expire会发送一个带有Seq Num为（NRS-1）的ACK包，当发送了ACK或NAK包后复位；
• Ack/Nak Generator: ACK/NAK中的Seq Num都是NRS-1，格式如下：

发送接收端具体实现细节

发送端：

• Sequence Number:从事务层发往链路层，首先需要加入Sequence Number，Seq Num可能会roll over；
• 32bit LCRC: 加入LCRC，范围是Seq Num+TLP；
• Response to ACK DLLP: 把收到的ACK的Seq load到ACKD_SEQ中，复位REPLAY_TIMER和REPLAY_NUM，清除Replay buffer中的<=SEQ NUM的TLP；
• Response to NAK DLLP:把收到的NAK的Seq load到ACKD_SEQ中，复位REPLAY_TIMER和REPLAY_NUM，清除Replay buffer中的<=SEQ NUM的TLP，重放buffer中剩余的包；

接收端：

• Physical Layer: TLP接收在物理层检测到receiver error(framing,disparity, invalid symbols)如果告知链路层，链路层发NAK包并重放TLP包，如果不告知链路层，链路层也会因为Seq Num丢包而发NAK包并重放TLP包；
• LCRC Check:检查LCRC错误，如果计算的LCRC和TLP的LCRC不匹配，说明TLP中有bit错误，就会丢弃TLP并且发NAK；
• Next Received TLP's Sequence Number: 如果LCRC正确，会比较接收到的TLP的Seq Num和NRS；
• Receiver Schedules a ACK:  AckNak_LATENCY_TIMER expire后发送一个ACK，含有NRS-1的Seq Num;
• Receiver Schedules a NAK: 虽然发送端需要立刻发送NAK（因为后面的接收的其他TLP也会丢弃），但是其他的已经再处理的TLP, DLLP, Order Set优先级更高，NAK会等到它们都完成再发，同时，如果其他接收的TLP丢弃，由于NAK_SCHEDULED flag=1，就不会再有额外ACK/NAK schedule。

Replay Number Rolls Over

当REPLAY_TIMER由于没有接收到ACK或NAK而expire，replay过程可以被重复3次，如果重复大于3次，REPLAY_NUM就会从3 roll over至0.

• 如果发生这种情况一定是链路存在一些问题，链路层就会触发物理层重新训练链路（LTSSM进入Recovery状态机）；
• 如果使能AER会报Replay Number Rollover error错误；
• Replay Buffer的内容会保持，数据链路层不会初始化（只是重新训练链路，不会复位链路）；
• 当链路训练完成后，transmitter会再重放，以期望问题能够解决；
• Spec没有规定如何处理repeat rollover event, PCIe Technology3.0建议记录重新训练的次数，超过规定的次数后，通过Uncorrectable Fatal Error或者中断通知软件。

Transmitter DLLP Handling

Ack/Nak Error Checking模块检查ACK/NAK DLLP的16bit CRC是否存在错误，

• 如果存在错误，DLLP会丢弃，DLLP包没有重传和校正的机制；
• AER会报告Correctable Error；
• 会使ACK之间的间隔变大，REPLAY_TIMER可能会expire,导致TLP replay。

Error Situations Handled by Ack/Nak

• LCRC错误
• TLP Losts（物理层检测到错误后丢包）
• Ack/Nak包损坏
• 没有接收到Ack/Nak包
• Receiver fails to send Ack/Nak

上述情况的详细处理过程见(二)ACK/NAK实例博文。

Switch Cut-Through Mode

当TLP经过Switch的Ingress Port的时候，当没有收到TLP的整包的时候是没有办法判断LCRC是否正确的，通常情况下用到Store-Forward模式缓存整包，没问题再送到Egress Port，但是这样的情况大包会有很大的Latency，会影响性能。

为了提高性能可以采用Cut-Through模式，这种模式下Ingress Port可能会将TLP传给Egress Port后才会发现LCRC错误。

Cut-Though Mode提供一个解决方案：“nullified” TLP

• 这种TLP的LCRC是invert（按位取反）+EDB；
• 这种TLP本质上处理的时候“好像不存在一样”；
• 在Egress Port，不存入replay buffer，NEXT_TRANSMIT_SEQ回滚-1；
• 接收端的NRS不增加，AckNak_LATENCY_TIMER不启动, NAK_SCHEDULED不设置；
• 接收端只是简单的丢弃此包，不需要返回ACK/NAK。