PCIe链路初始化和训练介绍

PCIe链路初始化和训练是由物理层控制的，是基于硬件 (而非软件) 的过程。链路训练过程在复位后由硬件自动启动，并由LTSSM管理。

1. LTSSM总体介绍

下图是LTSSM（链路训练状态机）的状态跳转图。LTSSM的每个状态又划分为若干子状态。在冷复位、暖复位、或者热复位（Hot Reset）释放后，进入的第一个状态是Detect状态。

LTSSM共有11个顶层状态：Detect、Polling、Configuration、Recovery、L0、L0s、L1、L2、Hot Reset、Loopback和Disable。

这11个状态可划分为五大类：

1. 链路训练状态。

2. 重训练状态（Recovery）。

3. 软件驱动的电源管理状态。

4. ASPM（Active-State Power Management）状态，即硬件驱动的电源管理状态。

5. 其他状态。

LTSSM (Link Training and Status State Machine)

在复位释放后，LTSSM进入链路训练状态，正常会按照Detect → Polling → Configuration → L0的顺序跳转。在L0状态，可以进行正常的数据收发操作。

进入链路重训练状态（即Recovery）的原因有很多，例如从L1这样的低功耗链路状态中恢复，或者进行链路带宽切换（速率或者链路宽度切换）。在链路重训练状态中，链路会重复类似于训练状态的操作，来解决链路中的问题，并最终回到L0（正常工作）状态。

功耗管理软件可以使设备进入低功耗设备状态（D1、D2、D3Hot或D3Cold），并强制链路进入低功耗管理链路状态（L1或L2）。

如果链路上长时间没有报文发送，ASPM硬件会使链路自动进入低功耗ASPM状态（L0s或者ASPM L1）。

此外，软件可以使链路进入一些其他状态，如Disabled、Loopback或热复位状态，这些状态统称为其他状态。

2. LTSSM各状态介绍

以下是对11个LTSSM状态的基本介绍。

1. 检测状态（Detect）：复位释放后进入的初始状态，目的是检测链路对端设备是否存在。串行传输一般不需要检测对端设备是否存在，设置Detect状态是为了便于测试，在Polling状态会有具体说明。除了复位之外，还可能从其他LTSSM状态进入Detect。

2. 轮询状态（Polling）：在此状态，发送方以2.5Gbps的速率向对端发送TS1以及TS2序列，使用协议最低速率以实现对早期协议的兼容。接收端可以使用接收的TS1/2序列实现以下功能：

完成位锁定（Bit Lock）。链路训练开始时，接收端的时钟与发送端时钟不同步，无法可靠地采样输入数据。在链路训练期间，接收端的时钟和数据恢复逻辑（CDR，Clock and Data Recovery）通过使用数据比特流作为时钟的参考信号，来重建发送端的时钟。一旦从数据流中恢复了时钟，接收端就完成了位锁定，可以正确采样输入数据。

完成Symbol锁定或者Block锁定（Gen3）

如有必要，校正通道极性翻转

得知通道支持的链路数据速率

在测试条件下，发起兼容性测试序列：能够进入兼容性测试是因为，如果在Detect状态能识别到接收方，但是没有收到输入信号，这表明可以将对端识别为一个测试负载。在识别对端为测试负载后，发送方会发送特定的兼容测试Pattern，以方便测试。这项特性能够使测试设备快速地验证链路的电压、BER（Bit Error Ratio）、时序以及其他指标在链路容忍范围之内。

3. 配置状态（Configuration）

上游和下游组件将以2.5Gbps速率来交换TS1和TS2序列，完成以下的目标：

协商链路宽度

为各通道（lane）指定编号

检测是否需要lane reversal，并校正

补偿各个通道之间的时序偏斜（Deskew Lane-to-Lane timing differences）。从这个状态开始，可以关闭加扰，并可进入Disable或Loopback状态。此外，会记录在TS1和TS2序列交换时达成的从L0s进入L0状态所需的FTS序列数量。

4. L0状态：链路功能正常运行的状态，链路上会进行正常的TLP、DLLP 报文和有序集的交换。L0状态下，链路速率可以比2.5GT/s更高，但只能在进入Recovery状态，经历链路速率变化程序之后，才能切换到更高速率。

5. 恢复状态（Recovery）：当链路需要重训练时，会进入Recovery状态，可能有以下原因：L0状态中发生错误、从L1状态恢复到L0状态、从L0s状态恢复到L0时，无法通过FTS序列重新完成训练。

在Recovery状态，会重新进行比特锁定和字符/块锁定，锁定的过程和Polling状态中的相似，但是一般会更快些。

6. L0s状态：L0s是由硬件控制的ASPM低功耗状态，可以节约一些功耗，并且能快速恢复到L0状态。在L0状态下，当发送方发送EIOS序列后会进入L0s状态。退出L0s状态时，会通过发送FTS序列来重新快速完成比特和字符/块锁定。

7. L1状态：比L0s状态节省更多的功耗，但需要更长时间恢复到L0。进入L1需要链路双方协商，并一起进入L1状态。进入L1状态有两种方式：

第一种是在ASPM控制下，自动进入L1。当上行端口没有调度发送的TLP或者DLLP报文时，硬件将自动协商进入L1。如果下行端口同意，那么链路进入L1状态。否则，上行端口将进入L0s状态（如果使能的话）。

第二种是功耗管理软件命令设备进入低功耗状态（D1、D2或D3Hot）。因此，上行端口通知下行端口必须一起进入L1状态，下行端口会响应通知，进入L1状态。

8. L2状态：更显著的低功耗状态，此时设备的主电源将被关闭。大部分的逻辑会由于没有电源供应而关闭，只是少部分涉及唤醒事件的逻辑会依靠辅助电源Vaux继续工作。支持唤醒能力的上游端口会发送低频的Beacon 信号，下游端口能够将其转发给RC，告知上层系统。通过Beacon信号或者边带信号WAKE#，设备能够触发系统唤醒事件，使主电源恢复。

（另外还有L3状态，不过L3状态和LTSSM没有关系。L3状态下所有电源都会关闭，包括辅助电源，因此L3状态下不会响应唤醒事件。）

9. Loopback状态：是一种测试状态，协议中没有详细定义接收方的行为（比如接收方哪些逻辑会参与回环测试）。Loopback状态中基本的行为很简单：回环发起方（Loopback Master）发送TS1有序集给回环接收方（Slave），并置位TS1训练控制字段（Training Control）中的Loopback比特。当接收方连续接收2个回环比特置起的TS1序列后，进入回环状态，将接收到的任何内容都重新发送给发起方。发起方会检查接收到的内容，和先前发送的内容进行比较，如果内容经过双方的8b/10b编码（解码）后校验一致，说明链路可以通过环路验证，完整性没有问题。

10. 禁用状态（Disable）：Disable状态允许将链路配置为禁用状态，该状态下发送逻辑为电气空闲状态，接收逻辑为低阻状态。在某些情况下，比如链路状态变得不可靠，或者对端设备被意外移除，此时 Disable 是表示这些意外情况的必要状态。另外，软件也可以通过链路控制寄存器中的Disable bit，将设备配置为禁用状态。设备被禁用后，会连续发送16个Disable Link bit置位的TS1序列，位于TS1的训练控制域（Traning Control Field），通知接收方进入禁用状态。

11. 热复位状态（Hot Reset）：软件可以通过置位Bridge Control寄存器的配置次级总线复位（Secondary Bus Reset）bit，复位链路。软件配置后，桥的下游端口会发送训练控制域（Traning Control Field）热复位比特置位的TS1序列。当接收方接收到两个TS1序列后，必须复位自身设备。