PCIe 链路初始化与训练基础（三）之LTSSM

这一篇文章来简单地介绍一下链路训练状态机（Link Training and Status State Machine，LTSSM），并简要地介绍各个状态的作用和实现机制。

LTSSM有11个状态（其中又有多个子状态），分别是Detect、Polling、Configuration、Recovery，L0、L0s、L1、L2（L3是可选的）、Hot Reset、Loopback和Disable状态。系统进行复位操作（Cold, Hot or Warm Reset）后，会自动进入Detect状态。

这11个状态又可以被分为以下五个类别：

1、链路训练状态（Link Training State）；
2、重训练状态（Re-Training（Recovery） State）；
3、软件驱动功耗管理状态（Software Driven Power Management State）；
4、活动状态功耗管理状态（Active-State Power Management State，ASPM State）；
5、其他状态（Other State）；

如下图所示：

下面分别简要地介绍一下各个状态：

首先是Detect：

前面说到，系统进行复位操作（Cold, Hot or Warm Reset）后，会自动进入Detect状态。在这个状态中，PCIe设备会去检测自己Link的另一端是否存在其他PCIe设备。换句话说，就是检测有没有其他的PCIe设备与其相连接。如下图所示：

Polling：

在该状态中，PCIe设备会依次发送TS1OS和TS2OS以实现以下目标：

1、位锁定（Bit Lock）；
2、字符锁定（Symbol Lock）；
3、信号极性翻转（Polarity Inversion），如果需要的话；
4、确定各个设备支持的速率（Data Rates）。

如下图所示：

Configuration：

在该状态中，PCIe设备会依次发送TS1OS和TS2OS以实现以下目标：

1、确定链路宽度（Link Width）；
2、分配通道（Lane）号；
3、通道位置翻转（Lane Reversal），如果需要的话；
4、通道对齐（Lane-to-Lane De-skew）。

如下图所示：

L0：

这是链路（Link）的正常状态（Normal and Full-Active State），所有的TLP、DLLP和Ordered Sets都可以被正常的收发。该状态下，速率可以是2.5GT/s或者是5GT/s（如果链路两端设备都支持的话，且经过了Re-Trainning）。

Recovery：

这个状态用于Re-Trainning，因此Re-Trainning可能会改变原有的速率，所以位锁定（Bit Lock）和符号锁定（Symbol Lock）操作都会被重新进行，但是花费的时间要比第一次少很多。

其内部的子状态转移图如下图所示：

L0s：

该ASPM状态主要用于降低功耗，在总线空闲的时候可以进入该状态，且从该状态可以迅速地重新切换回L0状态。当在L0状态是，链路上出现EIOS时，则表明即将进入L0s状态。当在L0s状态时，链路上出现FTS时，链路会迅速地完成位锁定和符号锁定，并进入L0状态。

发送端如下图所示：

接收端的示意图如下：

L1：

相对于L0s状态，L1状态下的功耗更低。进入L1状态需要链路两端的PCIe进行“沟通”，只有双方都“同意”进入该状态，链路才会进入该状态。一般有以下两种方式：

1、第一种是由ASPM引导，硬件自动完成的。发送端发现链路上长时间没有TLP或者DLLP时，便通过ASPM建议接收端进入L1状态。如果接收端“同意”了，则链路进入L1状态；如果接收端“不同意”，则链路进入L0s状态。

2、第二种是有软件引导的，软件发送一系列的命令让链路进入低功耗状态（D1，D2，or D3 Hot）。随后，链路的上端设备会通知下端设备进入L1状态，收到来自下端设备的应答后，链路进入L1状态。

如下图所示：

L2：

L2状态下的链路功耗更低，因为其只保留了Vaux，关闭了链路的其他功能。此时，需要Beacon信号或者WAKE#边带信号来唤醒系统。其中Beacon信号是一种低频信号（30KHz~500MHz），其波形图如下图所示：

注：此外，还有一个L3状态，不过其实际上已经不属于LTSSM了。由于L3状态连Vaux都关闭了，一旦进入L3状态，实际上和直接关闭PCIe设备的电源没有什么太大的差别了。

L2的子状态转移图如下图所示：

Loopback：

该状态主要用于测试，这里就不详细介绍了。

Disable：

该状态中链路被禁止，此时发送端处于电气空闲状态（Electrical Idle State），而接收端处于低阻状态（Low Impedance State）。进入该状态的原因可能是链路连接不稳定，或者链路中的某个设备被移除，如PCIe卡从插槽中拔出。

Hot Reset：

软件可以通过将桥控制寄存器（Bridge Control Register）中的Secondary Bus Reset位置位来复位链路。随后，桥下端的PCIe设备发送TS1OS，其中的Training Control中包含了Hot Reset的信息。当接收端发现连续的两个TS1OS中都包含Hot Reset时，链路随后进入复位状态。

注：本文只是对LTSSM进行了简单的介绍，关于具体的每一个状态内部是如何实现的，请参考PCIe Spec相关章节。