SSD PCIe接口综述

• SSD 的接口当前以PCIe为主，因为其速度远快于SATA接口。

• PCIe 特征

  • 已经从PCIe1.0发展到了6.0, 其中3.0的双向带宽：单通道（Lane）为2GB/s, 32通道为64GB/s
  • 全双工模式，发送和接收通道可以同时工作（SATA为半双工模式）
  • PCIe是串行总线，因此速度快于PCI
  • 物理层使用128/130编码（即传输128位有效数据外加2为校验数据，也有8b/10b编码方式），传输比率增大
  • 可以通过增加通道数扩展带宽，提升速度。但成本和空间占用以及能耗也会随之增加。
  • PCI采用总线型拓扑结构，PCIe采用树型拓扑结构，实现点到点（Endpoint to Endpoint）的通信方式
  • 交换机扩展了PCIe的端口，并完成数据上下游的转发，每个设备独享通道带宽。
  • 每个PCIe设备和交换机都需要实现PCIe的3层结构功能

• PCIe 分层结构，共分为3层，由上之下依次为：事务层（Transaction Layer），数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer），下层为上层服务。数据以数据包（Packet）形式传输，每层都有固定格式。数据由事务层生成，发送端向下逐层包装，接收端将数据接收后进行校验，校验错误则通知重传，校验正确则逐层解开包装，向上层传递。

  • 事务层：创建（发送）或者解析（接收）TLP（Transaction Layer Packet）、流量控制、QoS、事务排序等。
  • 数据链路层：创建（发送）或者解析（接收）DLLP（Data Link Layer Packet）、ACK/NAK协议（链路层检错和纠错）、流控、电源管理等。
  • 物理层：处理所有数据包中数据的物理传输，发送端将数据分发到各个Lane中进行传输，接收端将各个Lane上的数据进行汇总，并进行加扰，去扰，8/10或128/130编码解码等工作。

• PCIe TLP数据。事务层可以产生4种不同的TLP请求：

  • 内存（Memory），用于访问内存空间
  • I/O，用于访问I/O空间，主要为了兼容以前的旧设备，后续会逐渐取消
  • 配置（Configuration）,用于访问配置空间，并非常态，一般只发生在上电枚举和配置阶段
  • 消息（Message），终端消息，错误消息等内容，非主流，只有在中断或有错误的情况下发送消息
  • TLP分为Non-posted 和Posted两种，前者是需要对方响应的，后者不需要对方响应。内存写和消息不需要响应，其他都需要响应。
  • 一个TLP最多携带4KB有效数据。

• TLP数据结构: Header+data+ECRC

  • TLP的header分类：内存，配置，消息，响应
  • 每个PCIe设备都有唯一的ID，包括RC,交换机和终端

• PCIe 配置空间

  • 每个PCIe设备可能具有多个功能，比如硬盘功能，网卡功能等，因此至少有一个配置空间：通过读取该空间数据，可以获取该设备的基本信息，也可以通过该空间来配置该设备。
  • 配置空间是协议规定好的，地址和内容是有定义的。
  • 配置空间就是一系列寄存器的集合。64B 的Header和192B 的Capability数据结构 + 3840B 扩展配置空间（合计4KB）
  • 一个PCIe系统，可以最多有256条总线，每个总线上最多可以挂32个设备，每个设备最多可以实现8个功能，每个功能对应4KB的配置空间。

• PCIe共有3种路由方式：

  • 基于地址（Memory Address）的路由
  • 基于设备ID(BDF)的路由
  • 隐式（Implicit）路由