PCIe系列第二讲、PCIe的OSI模型与事务层分析（上）

PCIe的OSI模型与事务层概述

PCIe协议定义了三层结构，分别是：物理层、数据链路层、事务层，每个层次按照协议中规定的内容，完成相应的数据处理功能，各层都分为发送和接收两功能块。

在Xilinx芯片内部集成有PCIe硬核端点模块，能够自动完成数据链路层和物理层的数据处理，采用该方法时，用户只需要设计事务层的逻辑电路，完成事务层包（TLP）的处理即可。

事务层：产生TLP包（Transaction Layer Packet）

数据链路层：产生DLLP包（DataLink Layer Packet）。

物理层：产生PLP包（Physical Layer Packet）

接下来对事物层进行分析，从作用、格式、post与posted事务类型、路由方式，所涉及的知识点较多，暂定为分上中下三次完成，接下来的数据链路层和物理层相对来说较为简单。

因为事务层在FPGA应用中是需要用户设计参与的，所以掌握事务层的相关知识非常重要，请保持一点耐心，本系列的最后会分析几个PCIe工程应用。

PCIe事务层作用

事务层的作用是产生TLP包，接收PCIe设备核心层的数据请求，并将其转换为PCIe总线事务，PCIe总线使用的这些总线事务在TLP头中被定义，如存储器读写、IO读写、配置读写总线事务，并增加了Message总线事务（应用于中断模块）和原子操作等总线事务。

除此之外，事务层还支持流量控制、虚通路管理（VC映射，后面的传输优先级部分会将）等一些列特性，而PCI总线并不支持这些特性。

PCIe总线使用的数据报文首先在TL（事务层）中产生，这个数据报文也被称为事务层数据报文，即TLP。TLP经过数据链路层时被加上sequence number和CRC后缀，然后发向物理层。

需要特别注意的是！数据链路层还可以产生DLLP（Data Link LayerPacket），DLLP和TLP并没有直接关系。DLLP是产生于数据链路层，终止于数据链路层，并不会传递到事务层。DLLP不是TLP加上前缀和后缀形成的。

数据链路层的报文DLLP经过物理层时，需要经过8b/10b编码（参考之前推送），然后再进行发送，数据的接收过程是发送过程的逆过程，但是在具体实现上接收过程与发送过程并不是完全相同。

PCIe事务层格式

当处理器或其他的PCIe设备访问PCIe设备时，所传送的数据报文首先通过事务层被封装为一个或者多个TLP，之后才能通过PCIe总线的各个层次发送出去。

一个完整的TLP由1个或多个TLP Prefix、TLP头、Data Payload和TLP Digest构成。其中TLP头是TLP最重要的标志，不同类型的TLP头的定义并不相同，TLP头包含了当前TLP的总线事务类型、路由信息等一系列信息，在一个TLP中，Data Payload的长度可变，最小为0，最大为1024（DW）。

TLP = 帧前缀 + 帧头 + 数据 + 摘要

帧前缀：TLP Prefix由PCIe V2.1 Spec总线规范引入，分为Local TLP Prefix和EP-EP TLP Prefix，主要目的是扩展TLP头，并以此支持PCIe V2.1规范的一些新功能。。

• Loacl TLP Prefix：在PCIe链路的两侧传递信息
• EP-EP TLP Prefix：在发送设备和接收设备之间传递信息。

帧头：为3DW或4DW，格式和内容随事务类型变化。

数据：TLP Digest Datapayload也是一个可选项，有些TLP并不需要Data Payload，如存储器读操作、配置和IO写完成操作并不需要Data Payload。

摘要Digest：是基于帧头、数据段计算出来的CRC（事务层和数据链路层使用的CRC校验公式还不一样，这点在介绍物理层时介绍），称为ECRC（Endpoint to endpoint CRC，端到端CRC）。是一个可选项，一个TLP是否需要TLP Digest由TLP头决定。一般Digest段由IP核填充，所以PCIe的处理在用户层表现为处理层TLP中的头标和数据段。