PCIe 系统拓朴结构和基本组件介绍

本文从PCIe常见的系统应用和BaseSpec的角度，简要介绍PCIe拓扑结构和各个组件的功能及基本概念。

PCIe 系统拓扑结构

此图是BaseSpec中关于PCIe fabric及拓扑结构的示意图，一个常见的PCIe系统内，一般的会包含一个或多个RootPort及SoC其他组件共同组成的RootComplex。一个或多个PCIe Switch，以及多个PCIe Endpoint（或Legacy Endpoint）组件。

上图以AMD Ryzen CPU为例，Ryzen CPU SoC可以认为是Root Complex，其下挂了若干个Endpoint设备，如Storage，Graphics等。AMD X570可以认为是Switch的部分，因为往往chipset下面还会连接更多的PCIe Endpoint设备，比如更多的PCIe/NVME/SSD/USB等存储设备，以太网控制器，声卡等等。

PCIe系统组件

Root Complex

PCIe BaseSpec中描述的RootComplex不只是描述一个SoC中的IP，而是一系列功能。一般的PCIe接口协议相关的叫Root Port，是pcie系统结构中的一个port。BaseSpec定义的RootComplex是：

• RC 表示IO Hierarchy的Root，并且和CPU/Memory子系统相连。
• RC可以包含一个或多个PCIe port （Root Port). 每一个interface分别定义了PCIe域及其层级结构。 每一个PCIe域和层级结构可以包含一个或多个PCIe Switch和Endpoints。
• RC需要支持产生configuration request。
• RC可选的支持产生I/O request。
• 当RC作为Completer时，不允许支持Lock操作。相反的，RC可以支持发送Locked requester as Requester。

上面是一段从BaseSpec翻译过来的，阅读起来非常绕口。稍微总结几句：

1. RC是整个PCIe树形数据结构中唯一的主控者，一个PCIe tree结构下只允许有一个PCIe RC，可以有多个Switch和Endpoint。

2. RC是整个属性结构的发起者和建立者，换言之，因为PCIe是使用Configuration request来枚举和建立PCIe层级结构的，所以只有RC允许发起configuration request。所有其他的PCIe 设备均不允许发送configuration request。

3. RC也是传统PCIe设备中唯一的Host （可以理解为CPU），而传统设备中，只有Host CPU可以发送IO指令，所以BaseSpec描述，RC支持IO Request。因为现代CPU大多使用IOMMU，而非传统IO操作，所以IO request基本已经很少使用了，所以这个IO request对RC来说是Optional。

4. 不支持作为Lock completer， 这个用的比较少，应该是因为RC作为唯一的主控设备，如果他的内存或者某compoment被PCIe hierarchy下面的某个Endpoint给Lock住了，要防止互锁的发生，所以RC是不允许被Lock的。

PCIe Switch

上图PEX9797就是AVAGO推出的PCIe Gen3多端口PCIe switch及典型应用场景。

• 向上连接一个PCIe 的Root Complex （CPU）
• 下面挂在若干个高速设备（此处是4个GPU）
• 另外此PCIe switch支持一个端口对接到另一个PEX9797 switch，用于扩展PCIe endpoint设备数量，或者作为transparent bridge （Optional）对接另一个PCIe tree。

下图是一个PCIe Switch的内部结构概念图。一个Switch由一个Upstream Port，负责和上一级Switch或者Root Port对接。和若干个downstream port，以及一个内部的“交换器/桥接器/路由器”，名称可能很多，工程差不多，主要实现TLP或者Message的路由。

PCIe Endpoint

再PC和Server领域，我们大量的能看到PCIe Endpoint（终端）设备，比如个人PC上用的显卡（金手指那个接口就是PCIe），NVMe硬盘，网卡（特别是万兆网卡），插在PCIe插槽上的声卡等。服务器上的GPGPU，AI算力卡等等，基本上全部使用PCIe接口。Endpoint常见支持的Feature有：

• 支持Memory read/write requestor和completor。
• 支持发送MSI/MSI-X/INT-x等中断消息。
• 支持最大实现6个BAR（Base Address Registers）
• Endpoint只能作为Configuration和IO requester的重点。不能转发和自己发送configuration/IO request.
• Endpoint可以支持多个function，physical function 和virtual function。

全文完