Ack/Nak機(jī)制詳細(xì)介紹

Ack/Nak是一種由硬件實(shí)現(xiàn)的，完全自動(dòng)的機(jī)制，目的是保證TLP有效可靠地傳輸。Ack DLLP用于確認(rèn)TLP被成功接收，Nak DLLP則用于表明TLP傳輸中遇到了錯(cuò)誤。

如上圖所示，發(fā)送方會(huì)對(duì)每一個(gè)TLP在Replay Buffer中做備份，直到其接收到來自接收方的Ack DLLP，確認(rèn)該DLP已經(jīng)成功的被接受，才會(huì)刪除這個(gè)備份。如果接收方發(fā)現(xiàn)TLP存在錯(cuò)誤，則會(huì)向發(fā)送發(fā)發(fā)送Nak DLLP，然后發(fā)送方會(huì)從Replay Buffer中取出數(shù)據(jù)，重新發(fā)送該TLP。

Ack/Nak機(jī)制內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

下面對(duì)圖中的各個(gè)Elements分別做一個(gè)簡單地介紹。

首先是發(fā)送端的Elements：

來個(gè)大圖特寫：

NEXT_TRANSMIT_SEQ Counter

NEXT_TRANSMIT_SEQ Counter，即NTS計(jì)數(shù)器，是一個(gè)12位的計(jì)數(shù)器。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層處于DL-Down狀態(tài)或者復(fù)位時(shí)，該計(jì)數(shù)器會(huì)被初始化為0。該計(jì)數(shù)器只會(huì)執(zhí)行加一操作，也就是說當(dāng)其到達(dá)最大值4095時(shí)，在進(jìn)行加一操作則會(huì)變成0（Roll Over）。該計(jì)數(shù)器用于產(chǎn)生下一個(gè)待發(fā)送的TLP的序列號(hào)（Sequence Number）。每一個(gè)序列號(hào)都是與一個(gè)TLP所唯一對(duì)應(yīng)的，可以說這個(gè)序列號(hào)正是整個(gè)Ack/Nak機(jī)制的關(guān)鍵。

LCRC Generator

LCRC產(chǎn)生器用于產(chǎn)生一個(gè)32位的CRC值，其作用于整個(gè)TLP和其對(duì)應(yīng)的序列號(hào)。

Replay Buffer

Replay Buffer是Mindshare書中的叫法，在PCIe Spec中，這個(gè)Buffer的名稱叫做Retry Buffer。Replay Buffer中按照傳輸順序，存儲(chǔ)了整個(gè)TLP、序列號(hào)和LCRC，如下圖所示：

當(dāng)發(fā)送端收到來自接收端的Ack DLLP時(shí)，會(huì)將Buffer中相應(yīng)的TLP（包括對(duì)應(yīng)的序列號(hào)和LCRC）移除；如果接收到的是Nak DLLP，則會(huì)將Buffer中響應(yīng)的TLP（包括對(duì)應(yīng)的序列號(hào)和LCRC）重新發(fā)送給接收端。

REPLAY_TIMER Count

REPLAY_TIMER是一種看門狗定時(shí)器，當(dāng)該定時(shí)器溢出，則表明發(fā)送端已經(jīng)發(fā)送了一個(gè)或者多個(gè)TLP，但是并未收到來自接收端的應(yīng)答信號(hào)（Ack/Nak）。此時(shí)，發(fā)送端會(huì)將Replay Buffer中的TLP重新發(fā)送，并將看門狗定時(shí)器重啟。

只要發(fā)送端發(fā)送了任何TLP，該定時(shí)器便會(huì)啟動(dòng)，在接收到來自接收端的應(yīng)答信號(hào)之前都會(huì)持續(xù)地運(yùn)行。當(dāng)收到應(yīng)答信號(hào)之后，定時(shí)器會(huì)立即被清零。此時(shí)如果Replay Buffer仍然有TLP（表明還有TLP被發(fā)送，但是仍未得到應(yīng)答），定時(shí)器又會(huì)被立即被重新啟動(dòng)。如果Buffer中是空的，則定時(shí)器不會(huì)被重新啟動(dòng)，直到新的TLP被發(fā)送。

REPLAY_NUM Count

這是一個(gè)2位的計(jì)數(shù)器，用于記錄同一個(gè)TLP發(fā)送失敗的次數(shù)，當(dāng)其值從11b變?yōu)?0b時(shí)（溢出了，表示嘗試發(fā)送某個(gè)TLP失敗了4次），數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)自動(dòng)地強(qiáng)制物理層重新進(jìn)行鏈路訓(xùn)練（即LTSSM進(jìn)入Recovery狀態(tài)）。當(dāng)完成鏈路訓(xùn)練之后，便會(huì)重新發(fā)送之前發(fā)送失敗的TLP。

當(dāng)發(fā)送端接收到來自接收端的Nak DLLP或者發(fā)送端的看門狗定時(shí)器（REPLAY_TIMER）溢出時(shí)，該計(jì)數(shù)器都會(huì)被加一；當(dāng)接收到Ack DLLP時(shí)，該計(jì)數(shù)器則會(huì)被清零。

ACKD_SEQ

ACKD_SEQ寄存器用于存儲(chǔ)最近接收到的Ack或者Nak DLLP中的序列號(hào)。當(dāng)復(fù)位或者數(shù)據(jù)鏈路層處于無效狀態(tài)時(shí)，該寄存器會(huì)被初始化為全1。關(guān)于ACKD_SEQ寄存器的具體用法會(huì)在后續(xù)的文章中，用例子的形式詳細(xì)說明。

DLLP CRC Check

接收端在接收到來自發(fā)送端的DLLP后，首先會(huì)檢查其DLLP CRC，如果發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤，則會(huì)直接將其丟棄，認(rèn)為其實(shí)無效的DLLP。

然后是接收端的Elements：

首先來一張大圖特寫：

LCRC Error Check

顧名思義，LCRC Error Check用于檢查接收到的TLP是否存在錯(cuò)誤。如果存在錯(cuò)誤，則將對(duì)應(yīng)的TLP直接丟棄，然后產(chǎn)生一個(gè)Nak DLLP發(fā)送給發(fā)送端，讓其重新發(fā)送該TLP。

NEXT_RCV_SEQ

NEXT_RCV_SEQ是一個(gè)12位的計(jì)數(shù)器，即Next Receive Sequence Number，其值為已經(jīng)成功接收的TLP的序列號(hào)加1。主要用于檢查當(dāng)前接收到的TLP是不是應(yīng)該接收到的TLP。

如果NEXT_RCV_SEQ和當(dāng)前接收到的TLP中的序列號(hào)的值相等，則認(rèn)為這是一個(gè)有效的TLP，但是接收端并不會(huì)立即向發(fā)送端發(fā)送Ack DLLP，而是等到AckNak_LATENCY_TIMER溢出時(shí)才向發(fā)送端發(fā)送Ack DLLP。也就是說，一個(gè)Ack DLLP可能會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)TLP，接收端不會(huì)每成功接收到一個(gè)TLP便向發(fā)送端發(fā)送Ack DLLP。

如果當(dāng)前接收到的TLP中的序列號(hào)小于NEXT_RCV_SEQ（且差值不超過2048），則認(rèn)為該TLP之前已經(jīng)成功發(fā)送過了，此次是重復(fù)發(fā)送。需要注意的是，PCIe Spec認(rèn)為重復(fù)發(fā)送并不是一個(gè)錯(cuò)誤，只是直接將該TLP丟棄，并沒有Nak或者Error Reporting，但是會(huì)返回一個(gè)包含有上一次成功接收的TLP的序列號(hào)（NRS-1）的Ack DLLP給發(fā)送端。

如果當(dāng)前接收到的TLP的序列號(hào)大于NEXT_RCV_SEQ，表明傳輸過程中漏掉了一些TLP。此時(shí)，接收端會(huì)返回Nak DLLP，并直接丟棄該TLP。

一個(gè)簡單的例子如下圖所示：

NAK_SCHEDULED Flag

NAK_SCHEDULED是一個(gè)標(biāo)志位，當(dāng)接收端產(chǎn)生Nak DLLP時(shí)，該標(biāo)志位會(huì)被置位。當(dāng)接收端成功接收到有效的TLP時(shí)，該標(biāo)志位會(huì)被清零。需要特別注意的是，當(dāng)該標(biāo)志位處于置位狀態(tài)時(shí)，接收端不應(yīng)產(chǎn)生其他的Nak DLLP。

AckNak_LATENCY_TIMER

AckNak_LATENCY_TIMER定時(shí)器會(huì)在接收端成功接收到有效的TLP，且并未向發(fā)送端返回Ack DLLP之前運(yùn)行。當(dāng)AckNak_LATENCY_TIMER定時(shí)器溢出時(shí)，接收端會(huì)立即向發(fā)送端返回Ack DLLP（攜帶的序列號(hào)為NRS-1，即一個(gè)Ack對(duì)應(yīng)多個(gè)有效的TLP）。無論接收端返回Ack還是Nak，該定時(shí)器都會(huì)被復(fù)位，但是只有當(dāng)接收端再次收到有效的TLP時(shí)，該定時(shí)器才會(huì)被重新啟動(dòng)。

該定時(shí)器（REPLAY_TIMER）的值是由PCIe Spec規(guī)定的和Lane的數(shù)量與Max_Payload有關(guān)，Gen1的值如下圖所示：

Gen2（5GT/s）如下圖所示：

注：該定時(shí)器（REPLAY_TIMER）的值是AckNak_LATENCY_TIMER定時(shí)器值的三倍。

Ack/Nak Generator

顯然，Ack/Nak Generator的功能是產(chǎn)生Ack或者Nak DLLP。其格式如下：

最后，介紹一下PCIe Spec中推薦的包優(yōu)先級(jí)順序。我們知道，PCIe總線通信中，存在多種類型的包，包括TLP、DLLP和Ordered Sets等。為了能夠是總線達(dá)到最優(yōu)的傳輸效率，PCIe Spec推薦對(duì)這些包的優(yōu)先級(jí)做如下的設(shè)置：（當(dāng)然這只是推薦，并沒有強(qiáng)制廠商一定要這要去實(shí)現(xiàn)）。