了解PCI Express的Posted传输与Non-Posted传输

Posted 2020-11-27 qinguoyi

0.写在前面

本文首发于公众号【两猿社】，后续将在公众号内持续更新~

其实算下来接触PCIe很久了，但是由于之前换工作，一直没有系统的学习和练手项目，现在新项目买了Synopsys的PCIe IP，总算是有机会和时间来整理学习了~~~

目前PCI Express总线取代PCI总线成为PC局部总线的主流，且PCIe在很大程度上继承了PCI的设计思想，可以说PCI是PCIe的基础，本文所重点讲解的Posted和Non-Posted传输也是基于PCI总线讲解，但在PCIe总线中绝大部分是相同的，PCI中的HOST主桥可以看做RC，PCI桥可以看做Switch，PCI设备即EP。

1.简介

PCI规定了两种数据传输方式，分别是Posted传输和Non-posted传输，也叫做Posted事务和Non-Posted事务。在PCIe数据传输中同样也使用这两种方式，但在PCI总线中，Non-Posted传输可以使用Delayed方式完成，而在PCIe总线中所有的 Non-Posted传输都使用Split方式完成，不再使用Delayed方式。

1.Posted传输

Posted总线事务是指PCI主设备向目标设备进行数据传输时，数据到达PCI桥后，由PCI桥接管来自上游总线的总线事务，并将其转发到下游总线，此时上游总线可释放。

使用这种数据传输方式，数据请求在通过PCI总线后，就可以逐级释放总线资源。

下面以DMA写操作为例，说明PCI的Posted传输（DMA操作即PCI设备主动对系统存储器进行操作）。

PCI设备11向主存储器写数据：

1. 首先PC设备11将主存储器写请求发向PCI总线x1，注意这个写请求使用的地址是PCI总线域的地址。

2. PCI总线x1上的所有设备监听这个请求，因为PCI设备11是向处理器的存储器写数据，所以PCI总线x1上的 PCI Agent都不会接收这个数据请求。

3. PCI桥x1发现当前总线事务使用的PCI总线地址不是其下游设备使用的PCI总线地址，则接收这个请求，并结束来自PCI设备11的 Posted存储器写请求，将这个数据请求推到上游PCI总线上，即PCI总线x0。

4. PCI总线x0上的所有设备包括HOST主桥将监听这个请求，PCI总线x0上的PCI设备也不会接收这个请求，此时这个数据请求由HOST主桥x接收，并结束PCI桥x1的Posted存储器写请求。

5. HOST主桥x发现这个数据请求发向存储器，则将来自PCI总线x0的PCI总线地址转换为存储器域地址，通过存储器控制器将数据写入存储器，完成PCI设备11的DMA写操作（没有完成报文）。

2.Non-Posted传输

Non-Posted总线事务是指PCI主设备向目标设备进行数据传输时，数据必须到达最终目的地后才能结束当前事务总线的传输方式。

PCI总线在没有结束当前总线事务时必须等待传输完成，不会释放总线资源。这种等待将严重阻塞当前的PCI总线的其他数据传送。因此在PCI总线中使用Delayed方式完成Non-Posted，在PCIe总线中使用Split方式完成 Non-Posted总线事务。

PCI设备进行DMA读与DMA写过程类似，不过存储器读总线事务是使用Non-Posted总线事务。

PCI设备11向主存储器读数据：

1. 首先PCI设备11将存储器读请求发向PCI总线x1。

2. PCI总线x1上的所有设备监听这个请求，因为PCI设备11是从存储器中读取数据，所以PCI总线x1上的设备不会接收这个请求。PCI桥x1发现下游PCI总线没有设备接收，则接收这个数据请求，并将它推到上游PCI总线上，即PCI总线x0上。

3. PCI总线x0上的设备监听这个请求，也不会接受这个数据请求，最后这个数据请求被HOST主桥x接收。

4. HOST主桥发现这个数据请求是发向主存储器的，则将PCI总线x0的PCI总线地址转为存储器地址，之后通过控制器将数据读出，带着读完成信息转发到HOST主桥x。

5. HOST主桥x将这个带数据的读完成事务经由PCI桥x1传递到PCI设备11，设备11接收到这个数据后结束DMA读（有完成报文）。

在上述Non-Posted总线事务中，只有读完成依次通过PCI总线x1和x0后，存储器读总线事务才不继续占用PCI总线x1和x0的资源。可以发现这种传输并不合理，PCI总线为了解决这个总线拥塞问题，使用Delayed传输方式。

3.Split传输方式

在PCIe总线中，有以下几种传输：存储器读写、I/O读写和配置读写请求TLP，这些TLP由以下几类报文组成。

• 存储器读请求TLP和读完成TLP

• 存储器写请求TLP

• 原子操作请求和完成报文

• I/O读写请求TLP和读写完成TLP

• 配置读写请求TLP和配置读写完成TLP

• 消息报文(Messages)

以上几种类型中，除存储器写请求使用Posted总线事务外，其余的传输类型都使用Non-Posted总线事务，上面提到Non-Posted总线事务在PCI和PCIe中会转换为Delayed事务和Split事务进行。

PCI总线的Delayed传输使用Retry的方式进行，这里不再讲解，重点对PCIe总线中的Split总线事务进行讲解。

Split总线事务替代了PCI总线的Delayed数据传输方式，提高了Non-Posted总线事务的传输效率。Split总线事务是在PCI-X中提出，而PCIe也继承了这种传输方式。

下面以PCI-X中的Split传输为例。

PCI-X在进行存储器读总线事务时，总线事务的发起方（Requester）使用Split总线事务与总线事务的接收端（Completer）进行数据交换，步骤如下：

1. Requester向 Completer发起存储器读请求总线事务；

2. 这个请求事务在到达 Completer之前，可能会经过多级PCI桥。这些PCI桥使用 Split response周期结束当前总线事务，释放上游PC总线，之后继续转发这个存储器读请求，直到 Completer认领这个存储器读请求事务。

3. completer认领存储器读请求总线事务后，会记录 Requester的D号，并使用 Split Response 周期结束存储器读请求总线事务。

4. Completer准备好数据后,将重新申请总线，并使用存储器读完成总线事务主动将数据传送给 Requester。在这个报文中包含 Requester的号(完成报文使用的是ID路由)。

5. 这些完成报文根据ID路由方式，最终到达 Requester。 Requester从完成报文中接收数据并完成整个存储器读请求。

Split传输可以看成是将请求和完成分开，分别使用Posted方式进行的传输。

Posted与Non-Posted总线事务是PCIe的基础，PCI Express相关知识总结会持续更新哦，有需要的关注公众号的后续文章，咱们一起学习~~

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