【桃子同學(xué)筆記4】PCIE訓(xùn)練狀態(tài)機(jī)（LTSSM）基礎(chǔ)

首先，所謂LTSSM，即：Link Training and Status State Machine（鏈路訓(xùn)練及狀態(tài)機(jī)）

下圖為 LTSSM 的狀態(tài)機(jī)及訓(xùn)練過程：

LTSSM 包含 11 個(gè)頂層狀態(tài)：Detect、Polling、Configuration、Recovery、L0、L0s、L1、L2、Hot Reset、Loopback 和 Disable。這些狀態(tài)可以分為 5 類：

Link Training states（鏈路訓(xùn)練狀態(tài)）
Re-Training（Recovery）state（重訓(xùn)練狀態(tài)）
Software driven Power Management State（由軟件控制的電源管理狀態(tài)）
Active-State Power Management（ASPM）states（動(dòng)態(tài)電源管理狀態(tài)）
Other states（其他狀態(tài)）

①各種復(fù)位（Reset）之后，狀態(tài)機(jī)的改變?yōu)椋篋etect => Polling => Configuration => L0。在 L0 狀態(tài)下即可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交互。

②鏈路的 Re-Training 狀態(tài)也稱為 Recovery（恢復(fù)）狀態(tài)。鏈路進(jìn)入 Re-Training 狀態(tài)的原因有多種，例如從低功耗鏈路狀態(tài)（如 L1）退出、改變帶寬（改變速率或者寬度）等。在該狀態(tài)下，鏈路會(huì)根據(jù)需要重新執(zhí)行一部分鏈路訓(xùn)練的流程，然后進(jìn)入 L0 狀態(tài)。

③電源管理軟件能將設(shè)備（Device）切換到低功耗設(shè)備狀態(tài)（D1，D2，D3Hot 或者 D3Cold），這會(huì)導(dǎo)致鏈路進(jìn)入對應(yīng)的低功耗鏈路狀態(tài)（L1 或者 L2）。

④在某一時(shí)刻，如果沒有數(shù)據(jù)在傳輸，那么 ASPM 硬件可以自動(dòng)將硬件切換到功耗較低的 ASPM 狀態(tài)（L0s 或者 ASPM L1）。

另外，軟件還可以將鏈路設(shè)置為其它的一些特殊狀態(tài)：Disabled，Loopback 或者 Hot Reset。

1. Detect 狀態(tài)

當(dāng) PCIe 鏈路被復(fù)位或者數(shù)據(jù)鏈路層通過填寫某些寄存器之后，LTSSM 將進(jìn)入該狀態(tài)。
當(dāng) PCIe 鏈路進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)，發(fā)送邏輯 TX 并不知道對端接收邏輯 RX 的存在，因此需要使用 Receiver Detect 識(shí)別邏輯判斷對端接收邏輯 RX 是否可以正常共工作，之后才能進(jìn)入其他狀態(tài)。那么TX怎么去判斷對端設(shè)備呢？

如下圖，Detect狀態(tài)包含了兩個(gè)子狀態(tài)：Detect.Quiet和Detect.Active

2. Polling 狀態(tài)
當(dāng) PCIe 鏈路進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)，將向?qū)Χ税l(fā)送 TS1 和 TS2 Ordered Sets（2.5 GT/s），并接收對端的 TS1 和 TS2 Ordered Sets（2.5 GT/s）。

通過接收到的 TS1 和 TS2 序列，完成如下操作：

獲取 Bit Lock
獲取 Symbol Lock 或者 Block Lock
如果需要，糾正 lane polarity inversion（差分信號(hào)極性反轉(zhuǎn)）
檢測支持的速率
PCIe 鏈路處于該狀態(tài)時(shí)，將進(jìn)行 Loopback 測試，確定當(dāng)前使用的 PCIe 鏈路可以正常工作。

3. Configuration 狀態(tài)
發(fā)送邏輯 TX 和 接收邏輯 RX 繼續(xù)以 2.5 GT/s 的速度交換 TS1 和 TS2 Ordered Sets，完成如下任務(wù)：

確定 Link Width
指定 Lane Number
根據(jù)需要，對 Lane reversal 進(jìn)行檢查并對其進(jìn)行糾正
處理 Lane-to-Lane 時(shí)序的偏差
Configuration 狀態(tài)下，scrambling 可以關(guān)閉，該狀態(tài)可以切換到 Disabled 狀態(tài)或者 Loopback 狀態(tài)。
在 TS1 和 TS2 中，還指定了 L0 狀態(tài)切換到 L0s 狀態(tài)所需要的 FTS Ordered Sets 的個(gè)數(shù)。

4. L0 狀態(tài)
L0 狀態(tài)是 PCIe 鏈路的正常工作狀態(tài)。該狀態(tài)下，PCIe 鏈路可以正常發(fā)送和接收 TLP、DLLP 和 Ordered Sets。如果需要切換到高于 2.5 GT/s 的速度傳輸，則需要進(jìn)入 Recovery 狀態(tài)進(jìn)行鏈路重訓(xùn)練（Re-Training）。

5. Recovery 狀態(tài)
PCIe 鏈路需要進(jìn)行重訓(xùn)練（Re-Training）時(shí)會(huì)進(jìn)入該狀態(tài)，可能的原因有：

L0 狀態(tài)出現(xiàn)錯(cuò)誤
從 L1 狀態(tài)切換到了 L0 狀態(tài)
從 L0s 狀態(tài)切換到了 L0 狀態(tài)，但是使用 FTS 流程并沒有將鏈路訓(xùn)練到可用狀態(tài)
在 Recovery 狀態(tài)，重新建立 Bit Lock 和 Symbol/Block Lock 的過程與 Polling 狀態(tài)相似，但是要比 Polling 狀態(tài)花的時(shí)間更短。

6. L0s 狀態(tài)
L0s 是 ASPM（Active State Power Management）機(jī)制提供的第 1 級(jí)低功耗狀態(tài)，該狀態(tài)可以在較短的時(shí)間內(nèi)切換到 L0 狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備要從 L0 狀態(tài)切換到 L0s 狀態(tài)時(shí)，需要向外發(fā)送 EIOS。當(dāng)設(shè)備要從 L0s 狀態(tài)切換到 L0 狀態(tài)時(shí)，需要向外發(fā)送多個(gè) FTS，從而快速獲取 Bit Lock 和 Symbol/Block Lock。

7. L1 狀態(tài)
L1 是 ASPM（Active State Power Management）機(jī)制提供的第 2 級(jí)低功耗狀態(tài)，它的功耗比 L0s 低，但是需要更長的時(shí)間才能切換到 L0 狀態(tài)。想要進(jìn)入 L1 狀態(tài)，位于 PCIe 總線兩端的設(shè)備需要進(jìn)行協(xié)商，然后同時(shí)進(jìn)入 L1 狀態(tài)。兩種可能的方式如下：

ASPM 機(jī)制下硬件自動(dòng)切換。當(dāng) Upstream Port 的硬件發(fā)現(xiàn)沒有 TLP 或者 DLLP 需要再發(fā)送的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)和 Downstream Port 進(jìn)行協(xié)商進(jìn)入 L1 狀態(tài)。如果 Downstream Port 同意，則二者同時(shí)進(jìn)入 L1 狀態(tài)；如果 Downstream Port 拒絕，則 Upstream Port 會(huì)進(jìn)入 L0s 狀態(tài)。
電源管理軟件通過命令將設(shè)備配置為低功耗狀態(tài)（D1，D2，D3hot）。此時(shí) Upstream Port 和 Downstream Port 上的設(shè)備同時(shí)進(jìn)入 L1 狀態(tài)。

8. L2 狀態(tài)
L2 狀態(tài)是ASPM（Active State Power Management）機(jī)制提供的第 3 級(jí)低功耗狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備的主電源被關(guān)閉，從而達(dá)到更低的功耗。該狀態(tài)下，幾乎所有的邏輯都被關(guān)閉，只有一小部分使用 Vaux 供電的邏輯在工作，該部分邏輯可以用來發(fā)送 wakeup 事件。

支持 wakeup 功能的 Upstream Port 能向外發(fā)送一個(gè)低頻信號(hào)，該信號(hào)稱為 Beacon。Downstream Port 將 Beacon 信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給 Root Complex。通過 Beacon 或者 WAKE# 引腳，設(shè)備可以要求系統(tǒng)恢復(fù)它的主電源供電。

9. Loopback 狀態(tài)
該狀態(tài)是用來測試的，但是協(xié)議并沒有明確規(guī)定 Receiver 在該狀態(tài)下做些什么?；镜牟僮骱芎唵危涸O(shè)備 A 作為 Loopback Master，連續(xù)對外發(fā)送兩個(gè) TS1 Ordered Sets，并且 TS1 的 Training Control 區(qū)域的 Loopback 位需要設(shè)置為 1。設(shè)備 B 接收到連續(xù)兩個(gè) Loopback 位為 1 的 TS1 之后，就會(huì)進(jìn)入 Loopback state，稱為 Loopback Slave。Loopback Slave 會(huì)將收到的所有內(nèi)容再發(fā)送給 Loopback Master，從而形成回環(huán)，驗(yàn)證鏈路的完整性。

10. Disable 狀態(tài)
系統(tǒng)軟件可以通過設(shè)置寄存器，使 PCIe 鏈路進(jìn)入 Disabled 狀態(tài)。當(dāng) PCIe 鏈路的對端設(shè)備被拔出時(shí)，LTSSM 也需要進(jìn)入該狀態(tài)。

該狀態(tài)下，發(fā)送端設(shè)備處于 Electrical Idle 狀態(tài)，接收端設(shè)備處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。對于鏈接已經(jīng)變得不可靠或者設(shè)備被意外移除時(shí)，這種狀態(tài)很有必要。

系統(tǒng)軟件配置 Link Control register 的 Disable 位之后，該設(shè)備會(huì)對外發(fā)送 16 個(gè) TS1 Ordered Sets，這些 TS1 的 Training Control 區(qū)域的 Disable Link 位需要設(shè)置為 1。接收設(shè)備在收到這 16 個(gè) TS1 之后，進(jìn)入 Disabled 狀態(tài)。

11. Hot Reset 狀態(tài)
系統(tǒng)軟件將 Bridge Control register 的 Secondary Bus Reset 位設(shè)置為 1 之后，Bridge 的 downstream port 會(huì)對外發(fā)送多個(gè) TS1 Ordered Sets，這些 TS1 的 Training Control 區(qū)域 Hot Reset 位必須被設(shè)置為 1。接收設(shè)備收到連續(xù) 2 個(gè)這種 TS1 之后，必須對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位。

當(dāng)處理器系統(tǒng)進(jìn)行 Hot Reset 操作時(shí)，PCIe 鏈路將進(jìn)入 Recovery 狀態(tài)，然后進(jìn)入 Hot Reset 狀態(tài)進(jìn)行 PCIe 鏈路的重訓(xùn)練。