PCIe学习（一）：PCIe基础及生成PIO例程分析

简介
    学习PCIe有一段时间了，这里将这段时间的学习做一个总结。由于手里没有包含PCIe的板子，因此所做的也就是尽力将XILINX提供的实例工程中的关键模块进行分析，包括 PIO_RX_ENGINE.v，PIO_TX_ENGINE.v，PIO_EP_MEM_ACCESS.v ，希望对和我一样的初学者有所帮助。
    软件：VIVADO2017.4
第一步：PCIe基础知识
    PCIe协议比较复杂，XILINX官方提供了相关文档（pg054），此外也有不少好的中文学习资料（PCIe入门，PCIe体系结构导读）。文章结尾会上传部分学习资料，有需要的同学可以下载。
    PCIe 规范对于设备的设计采用分层的结构，有事务层、数据链路层和物理层组成，各层有都分为发送和接收两功能块。总线的物理链路如下图所示。

    PCIe总线层次关系如下。

    在设备的发送部分，首先根据来自设备核和应用程序的信息，在事务层形成事务层包（TLP），储存在发送缓冲器里，等待推向下层；在数据链路层，在 TLP 包上再串接一些附加信息，这些信息是对方接收 TLP 包时进行错误检查要用到的；在物理层，对 TLP 包进行编码，占用链路中的可用通道，从查封发送器发送出去。
    层次结构及数据传输（摘自PCIe入门 ）。

    事务层包（TLP），数据链路层包（DLLP），物理层（PLP）产生于各自所在层，最后通过电或光等介质和另一方通讯。其中数据链路层包（DLLP），物理层（PLP）的包平常不需要关心，在 IP 核中封装好了。在 FPGA 上做 PCIe 的功能，变成完成事务层包（TLP）的处理。

    TLP 有三部分组成，帧头、数据、摘要（或者称ECRC）。TLP 头标长 3 或者 4 个 DW，格式和内容随事物类型变化；数据端为 TLP 帧头定义下的数据段，如果该 TLP 不携带数据，那该段为空。 Digest段（Optional）是基于头标、数据字段计算出来的 CRC，成为 ECRC，一般 Digest 段有 IP 核填充。所以，PCIe 的处理在用户层表现为处理 TLP 中头标和数据段。
    如下图所示，Byte0~Byte11是头标（3DW，1DW=4Byte），Byte12~Byte23数据（多个DW），Byte24~Byte27是摘要。

    1.Fmt 和 Type 字段确认当前 TLP 使用的总线事务，TLP 头的大小是由 3 个双字还是 4 个双字组成，当前 TLP 是否包含有效负载。Fmt+Type配置信息如下


    2.TC 字段表示当前 TLP 的传送类型，PCIe 总线规定了 8 种传输类型，分别为TC0～TC7，缺省值为 TC0，该字段与 PCIe 的 QoS 相关。
    3.Attr 字段由 3 位组成，其中第 2 位表示该 TLP 是否支持 PCIe 总线的 ID-basedOrdering；第 1 位表示是否支持 Relaxed Ordering；而第 0 位表示该 TLP 在经过 RC 到达存储器时，是否需要进行 Cache 共享一致性处理。

    4.TH 位为 1 表示当前 TLP 中含有 TPH(TLP Processing Hint)信息，TPH 是 PCIe V2.1 总线规范引入的一个重要功能。TLP 的发送端可以使用 TPH 信息，通知接收端即将访问数据的特性，以便接收端合理地预读和管理数据。
    5.TD 位表示 TLP 中的 TLP Digest 是否有效，为 1 表示有效，为 0 表示无效。
    6.EP 位表示当前 TLP 中的数据是否有效，为 1 表示无效，为 0 表示有效。
    7.AT 与 PCIe 总线的地址转换相关，可暂时不考虑。
    8.Length字段用来描述 TLP 的有效负载(Data Payload)大小。PCIe 总线规范规定一个 TLP的 Data Payload 的大小。PCIe 总线设置 Length 字段的目的是提高总线的传送效率。Length 字段以 DW 为单位，其最小单位为 1 个 DW。
    9.Request ID字段包含“生成返个 TLP 报文”的 PCIe 设备的总线号(Bus Number)、设备号(Device Number)和功能号(Function Number)

    10.Last DW BE和First DW BE，在PCIe 总线以字节为基本单位迕行数据传递，但是 Length 字段以 DW 为最小单位。为此TLP 使用 Last DW BE 和 First DW BE 返两个字段迕行字节使能，使得在一个 TLP 中，有效数据以字节为单位。


    一个简单的TLP

    这是一个TLP报文：01a0090f40000001+0403020100000010，由于一次发送64位，因此这个报文的前64位是标头，后64位是数据和地址。
    按照上图的数据格式可知
    Request ID:16’b0000_0001_1010_0000
    Tag:8’b0000_1001
    Last DW BE:4’b0000
    First DW BE:4’b1111
    Fmt:2’b10
    Type:5’b0_0000
    Length:10’b00_0000_0001
    Data:32’h04030201
    Address:32’h00000010（低两位无效）

    完成报文（摘自PCIe入门）
    当发送端发送一个TLP给接收端后，接收端有时需要发送一个完成报文返回给发送端，如发送端发送一个Memory Read（存储器读请求）到接收端，那么接收端就会读取相应地址下的数据，拼接到完成报文中反馈给发送端，这样就完成了一次存储器读请求。
    不是所有的请求都会反馈一个完成报文，下图中Non-Posted 表示需要反馈完成报文，而Posted 表示不需要反馈完成报文。

    完成报文的格式

    其中Byte0~Byte3的字段功能和普通TLP的一致，不一样的字段分析如下：
    Requester ID 和 Tag 字段完成报文使用 ID 路由方式。完成报文头的长度为 3DW，完成报文头包含 Transaction ID 信息，由 Requester ID 和 Tag 字段组成，返个 ID 必须与源设备发送的数据请求报文的 Transaction ID 对应，完成报文使用 Transaction ID 运行 ID 路由，并将数据发送给源设备。当 PCIe 设备收到存储器读、I/O 读写或者配置读写请求 TLP 时，需要首先保存返些报文的 Transaction ID，然后当该设备准备好完成报文后，将完成报文的 Requester ID 和 Tag 字段赋值为当前保存的 Transaction ID 字段。
    Completer ID 字段存放发送完成报文的PCIe设备的 ID号，PCIe设备运行数据请求时需要在TLP字段中包含Requester ID字段；而使用完成报文结束数据请求时，需要提供 Completer ID 字段。
    Lower Address 字段，如果当前完成报文为存储器读完成 TLP，该字段存放在存储器读完成 TLP 中第一个数据所对应地址的最低位。值得注意的是，在完成报文中，并不存在 First DW BE 和 Last DW BE字段，因此接收端必须使用存储器读完成 TLP 的 Low Address 字段，识别一个TLP中包含数据的起始地址。
    Status字段保存当前完成报文的完成状态，表示当前 TLP 是正确地将数据传递给数据请求端；还是在数据传递过程中出现错误；或者要求数据请求方运行重试。


    BAR空间
    PCIe板卡访问PC内存时，板卡向 PC 发送 TLP 包，例如 MWr 包，地址信息就是PC 的物理地址；如果是 MRd 包，那 PC 收到后回复一个完成包，板卡从完成包分析出数据即得到 MRd 读取地址的数据。这是PCIe板卡访问PC。
     PC访问PCIe板卡，简单的解释，PC 启动是，BIOS 探测所有的外设。对 PCIe （PCI）设备来说，BIOS 检测到板卡有多少个 BAR 空间，每个空间有多大，然后对应为这些 BAR 空间分配地址。对 PC 设备来说，它能“看”到 PCIe 板卡的空间只有 BAR 空间，也就只能访问这些 BAR 空间。也就是说，板卡可以发送合法的 PCIe TLP 包，并得到 PC 端的相应；但是 PC 端访问板卡被局限在 BAR 空间。
    以上是PCIe TLP的部分基础知识，当然不止这些，详细内容请参考PCIe相关中英文资料。
第二步：工程生成及代码分析
    1.使用VIVADO新建一个工程，都是很常规的操作，但是注意在选择芯片或开发板时，FPGA芯片一定带有PCIe（可选xc7z035ffg676-2），然后点击Next直到Finish。

    2.在IP Catalog中找到PCIe IP核，然后双击IP核进行配置。

    3.配置x1，5GT/s

    4.配置ID

    5.配置BARs

    6.配置Core Capabilities

    7.配置Interrupts

    8.点击Generate

    9.生成Example Design

    10.选择文件夹存放Example Design

    11.然后就可以在指定的文件夹中找到这个工程了。

第三步：关键代码分析
1.整体结构

    打开工程后可以看见这个工程的结构如上图所示，xilinx_pcie_2_1_ep_7x是顶层模块，其下有pcie_7x_0_support_i 和app 两个子模块；其中pcie_7x_0_support_i属于PCIe IP核，是已经封装好了的，不需要修改；而app 是属于应用模块，我们能修改的就是这个模块。
    app 中又包含PIO_EP_MEM_ACCESS，PIO_RX_ENGINE 和PIO_TX_ENGINE 三个子模块，这三个模块就是我们重点关注的。
    PIO_EP_MEM_ACCESS 用于控制FPGA的存储器的读写；
    PIO_RX_ENGINE 是接收引擎，用于接收、解析TLP；
    PIO_TX_ENGINE 是发送引擎，用于组装、发送TLP；

PIO 工作流程大概描述：

    首先差分接收接口（rxn、rxp）接收到信号，信号经过物理层、数据链路层、事务层之后变成TLP进入接收引擎（PIO_RX_ENGINE ）进行解析；接着根据标头判断这个TLP是读存储器还是写存储器，若是写存储器，就将下一个TLP中的地址和数据解析出来（因为这里一次发送64bit，所以第一个TLP中不包含地址和数据，第二个TLP中包含地址和数据），然后通过PIO_EP_MEM_ACCESS 模块将数据写入指定的地址中；若是读存储器，就将下一个TLP中包含的地址解析出来，再通过PIO_EP_MEM_ACCESS 模块将数据从指定的地址中读取出来，然后经过发送引擎（PIO_TX_ENGINE ）进行完成包拼接，最后通过事务层、数据链路层、物理层封装之后，通过差分发送接口（txn、txp）将数据发送出去。

2.主要模块代码分析
    由上可知，PIO_RX_ENGINE 、PIO_TX_ENGINE 和PIO_EP_MEM_ACCESS 是主要的分析对象。
PIO_RX_ENGINE.v
    接收引擎中包含6种头标

    支持64位和128位数据位宽，这里分析是64位数据位宽。


    此外，从代码中可以得知，接收引擎是通过AXI接口与其他模块进行信号交换。其中m_axis_rx_tdata 就是传入接收引擎的TLP。

    分析来看，接收引擎的关键在于状态机跳转。

    状态机分析

    首先进入PIO_RX_RST_START 状态，这是一个复位状态，在复位状态中，首先判断sop 信号是否有效，sop 信号是TLP开始的信号，若这个信号无效，则程序会一直在复位状态中直到sop 信号有效；若sop 信号有效，根据上文一个简单的TLP 中分析可知，TLP的24~30位代表着这个TLP的类型，所以接着分析m_axis_rx_tdata[30:24] 判定包的类型。

    若分析后是PIO_RX_MEM_RD32_FMT_TYPE 状态

    m_axis_rx_tready 信号标志着接受设备是否准备好接收TLP，所以当接收到一个TLP后m_axis_rx_tready <= 1’b0 ，表示刚接收到一个TLP，还没有准备好接收下一个，等到当前TLP处理完之后才能准备好接收下一个TLP。
    m_axis_rx_tdata[9:0] 是代表当前TLP的Length，这个Length表示这个TLP中数据的数量，单位是DW（64bit），m_axis_rx_tdata[9:0]==10’b1这是因为PIO通常一次传输一个DW数据。

    所以判断m_axis_rx_tdata[9:0]==10’b1，确定当前是PIO模式，接着解析出TLP中的其他字段信息，然后跳转到PIO_RX_MEM_RD32_DW1DW2 状态。

    由上文对完成报文的介绍可知，存储器如请求是需要反馈完成报文的，而且这个完成报文反馈的是从存储器指定地址下的数据，req_addr 表示需要读取的存储器的地址，req_compl 表示需要发送完成报文，req_compl_wd 表示完成报文中包含数据，然后跳转到PIO_RX_WAIT_STATE 状态。

    PIO_RX_WAIT_STATE 状态是一个等待完成状态，在该状态下，程序先通过tlp_type 和compl_done 两个信号为条件进行判定。
    tlp_type 表示当前TLP的类型，compl_done 表示完成包已经发送完成，由发送引擎反馈给接收引擎。在PIO_RX_MEM_RD32_DW1DW2状态中有的req_compl 、req_compl_wd 和req_addr 三个信号，其中req_addr 信号输入到存储器模块中读取该地址下数据，然后又将数据发送到发送引擎中。req_compl和req_compl_wd这两个信号输入到发送引擎中用以合成完成报文，当合成完成报文并发送之后，发送引擎产生compl_done 信号，表明完成包已经发送完成，该信号输入到接收引擎中，这时表明一个存储器读请求已经完成，所以在PIO_RX_WAIT_STATE 状态中将m_axis_rx_tready信号置1，表明接收引擎准备好可以接收下一个TLP了，状态又跳转到PIO_RX_RST_STATE状态。
    以上完成对PIO_RX_MEM_RD32_FMT_TYPE 这个存储器读请求的分析，总的来说就是在这个TLP中包含req_compl 、req_compl_wd 和req_addr 三个重要信号，req_compl 和req_compl_wd 告诉发送引擎发送一个带数据的完成包；req_addr 信号先传入发送引擎中截取出存储器地址，在传入存储器模块读取这个地址下的数据，返回到发送引擎中作为完成包的数据，这样就完成了存储器读请求TLP的操作。
    接下来将分析PIO_RX_MEM_WR32_FMT_TYPE TLP。这个TLP的目是向存储器指定的地址中写入数据，而这些数据包含在这个TLP中。

    首先是从TLP中解析出TLP类型和这个TLP中数据的长度（单位是DW）；然后同样将ready信号置0，表明还没有准备好接收下一个TLP；接着判定这个TLP中的数据长度是否为1DW（因为这是PIO模式，所以数据长度为1DW）；最后解析出FIRST DW BE和LAST DW BE，判断传输过来的数据是否有效；状态跳转到PIO_RX_MEM_WR32_DW1DW2。

    在PIO_RX_MEM_WR32_DW1DW2 状态中，首先通过m_axis_rx_tdata[63:32]解析出这个TLP中的数据；然后设置wr_en有效，这个信号是使能存储器写功能；接着设置m_axis_rx_tready无效，表明还没准备好接收下一个包；最后解析出需要写入存储器的地址wr_addr，状态跳转到PIO_RX_WAIT_STATE。

    同样，PIO_RX_WAIT_STATE是一个等待状态，判定TLP的类型和wr_busy 信号。wr_busy 信号是一个写繁忙信号，因为这个TLP是想往存储器中写数据，当要写数据送入存储器模块之后，存储器模块产生一个写繁忙有效信号表明此时在写存储器，当写接收之后，写繁忙信号失效，这时在接收引擎中接收到wr_busy 信号失效，表明存储器写请求处理完成，所以设置ready信号有效，表明可以接收下一个TLP了，状态也跳转回复位状态。
    以上完成了在接收引擎（RX_ENGINE）中PIO_RX_MEM_RD32_FMT_TYPE和PIO_RX_MEM_WR32_FMT_TYPE两种头标的分析，其余类型的头标的分析与此类似。接着分析发送引擎（TX_ENGINE）。

PIO_TX_ENGINE.v
    发送引擎中包含两种头标

    然而这两种头标的完成包只有带不带数据的区别，包内其他信息几乎一样。
    实现发送完成包的关键还是状态机分析。

    首先设置compl_done <= 1’b0表示完成包发送未完成，而这个信号就是在接收引擎等待状态中的compl_done 信号。接着判定req_compl_q 信号（这个信号就是从接收引擎传来的发送完成包信号），如果需要发送完成包，则设置compl_busy_i 信号有效，表示正在发送完成包，接下来就是状态机跳转发送完成包了。

    首先进入复位状态，在compl_busy_i有效的情况下进行初始化，然后判定从机是否准备好接收信号，接着跳转到PIO_TX_CPLD_QW1_FIRST 状态。

    这个状态中传输第一帧（64bit）数据，这一帧数据是头标的前2DW数据，其中通过req_compl_wd_q 信号判定这个完成包是否带有数据，同时因为这一帧信号都是有效的信号，所以s_axis_tx_tkeep 为FF。接着状态机跳转。

    这个状态比较简单，只设置了valid信号，说明主机准备好发送第二帧。接着跳转到PIO_TX_CPLD_QW1 状态。

    在这个状态中，首先通过s_axis_tx_tready 信号判断从设备是否准备好接受信号；由于完成包由3DW标头和1DW的数据构成，总共2帧，所以这一帧是最后一帧，因此此时设置s_axis_tx_tlast为1表明这是最后一帧；然后设置s_axis_tx_tvalid为1表明此时主设备准备好发送数据；接着就根据完成包格式拼接发送数据。拼接完成后通过req_compl_wd_q设置s_axis_tx_tkeep信号，由于一次传输64bit，所以第二帧刚好1DW标头+1DW数据，这一帧都有效，所以s_axis_tx_tkeep为FF，如果这个完成包不带数据，即req_compl_wd_q无效，则最后一帧数据中只有1DW标头，那么s_axis_tx_tkeep就为0F。
    至此这个带数据的完成包就发送完成了，所以设置compl_done有效，这个信号返回到接收引擎中，使得接收引擎准备接收下一个TLP，设置compl_busy_i无效，说明又可以发送完成包了，同时状态机跳转至PIO_TX_RST_STATE状态。

PIO_EP_MEM_ACCESS.v
    存储器的读写控制相对了发送和接收引擎来说简单许多，读操作就是将指定地址下的数据读取出来；存储器写操作就是不太一样，是先将该地址的数据读取出来，然后将数据改变成需要写入的数据，最后将数据写入。写操作的状态机跳转如下：

    首先进去PIO_MEM_ACCESS_WR_RST状态

    在该状态下，判断wr_en信号，这是从接收引擎中引入的信号，表示写存储器写控制状态机开始，然后进去写等待状态PIO_MEM_ACCESS_WR_WAIT。

    在这个状态下，程序先让write_en无效，表示这时不能对存储器进行写入，而准备将这个地址下的数据读出，进入下一状态。

    在这个状态下，将w_pre_wr_data的值赋给pre_wr_data，而w_pre_wr_data的值就是从存储器中读出的值，可通过如下代码看出。

    由上可知，pre_wr_data 中的值就是存储器中读出的值。之后又进入存储器写状态PIO_MEM_ACCESS_WR_WRITE。

    由于这个数据是接收引擎中的携带的数据，而且是最后一帧的最后一个DW，所以需要通过LAST DW BE信号判定这个DW是否都有效，而wr_be信号就是LAST DW BE信号，由程序可知，如果这个DW中的某一个字节有效，则就将这个字节写入存储器，否则这个字节的数据还是原来的数据。这就是存储器的写操作原则。
    在分析信号时，建议在VIVADO中将Schematic打开，以辅助程序分析。

结束
    以上就是PCIe的部分基础知识，以及本人对PIO中的重要模块的简单分析，理解有误之处还望斧正；此外上传了一些基础文档以及上述三个重要模块的代码（不是工程，就是三个.v文件），代码有较为详细的注释，有需要的同学可以下载看看（https://download.csdn.net/download/cllovexyh/10330415）。