PCIE 之LTSSM状态机解析

在PCIe链路可以正常工作之前，需要对PCIe链路进行链路训练，在这个过程中，就会用LTSSM状态机。LTSSM全称是Link Training and Status State Machine。这个状态机在哪里呢？它就在PCIe总线的物理层之中。、

?　　　　　　　　　　　　　　　　?LTSSM 的顶层状态

LTSSM 包含 11 个顶层状态：Detect、Polling、Configuration、Recovery、L0、L0s、L1、L2、Hot Reset、Loopback?和?Disable。这些状态可以分为 5 类：

• Link Training states（链路训练状态）
• Re-Training（Recovery）state（重训练状态）
• Software driven Power Management State（由软件控制的电源管理状态）
• Active-State Power Management（ASPM）states（动态电源管理状态）
• Other states（其他状态）

各种复位（Reset）之后，状态机的改变为：Detect => Polling => Configuration => L0。在?L0 状态下即可进行标准数据交互。

链路的 Re-Training 状态也称为 Recovery（恢复）状态。链路进入 Re-Training 状态的原因有多种，例如从低功耗链路状态（如 L1）退出、改变带宽（改变速率或者宽度）等。在该状态下，链路会根据需要重新执行一部分链路训练的流程，然后进入 L0 状态。

电源管理软件能将设备（Device）切换到低功耗设备状态（D1，D2，D3Hot 或者 D3Cold），这会导致链路进入对应的低功耗链路状态（L1 或者 L2）。

在某一时刻，如果没有数据在传输，那么 ASPM 硬件可以自动将硬件切换到功耗较低的 ASPM 状态（L0s 或者 ASPM L1）。

另外，软件还可以将链路设置为其它的一些特殊状态：Disabled，Loopback 或者 Hot Reset。

1. Detect 状态

当 PCIe 链路被复位或者数据链路层通过填写某些寄存器之后，LTSSM 将进入该状态。
当前状态是 LTSSM 的初始状态。
当 PCIe 链路进入该状态时，发送逻辑 TX 并不知道对端接收逻辑 RX 的存在，因此需要使用 Receiver Detect 识别逻辑判断对端接收逻辑 RX 是否可以正常共工作，之后才能进入其他状态。
能切换到 Detect 状态的状态有：Polling，Configuration，Recovery，Disabled，External Loop back 和 Hot Reset。

2. Polling 状态

当 PCIe 链路进入该状态时，将向对端发送 TS1 和 TS2 Ordered Sets（2.5 GT/s），并接收对端的 TS1 和 TS2 Ordered Sets（2.5 GT/s）。

通过接收到的 TS1 和 TS2 序列，完成如下操作：

获取 Bit Lock
获取 Symbol Lock 或者 Block Lock
如果需要，纠正 lane polarity inversion（差分信号极性反转）
检测支持的速率
PCIe 链路处于该状态时，将进行 Loopback 测试，确定当前使用的 PCIe 链路可以正常工作。

3. Configuration 状态

发送逻辑 TX 和 接收逻辑 RX 继续以 2.5 GT/s 的速度交换 TS1 和 TS2 Ordered Sets，完成如下任务：

确定 Link Width
指定 Lane Number
根据需要，对 Lane reversal 进行检查并对其进行纠正
处理 Lane-to-Lane 时序的偏差
Configuration 状态下，scrambling 可以关闭，该状态可以切换到 Disabled 状态或者 Loopback 状态。
在 TS1 和 TS2 中，还指定了 L0 状态切换到 L0s 状态所需要的 FTS Ordered Sets 的个数。

4. L0 状态

L0 状态是 PCIe 链路的正常工作状态。该状态下，PCIe 链路可以正常发送和接收 TLP、DLLP 和 Ordered Sets。如果需要切换到高于 2.5 GT/s 的速度传输，则需要进入 Recovery 状态进行链路重训练（Re-Training）。

5. Recovery 状态

PCIe 链路需要进行重训练（Re-Training）时会进入该状态，可能的原因有：

L0 状态出现错误
从 L1 状态切换到了 L0 状态
从 L0s 状态切换到了 L0 状态，但是使用 FTS 流程并没有将链路训练到可用状态
在 Recovery 状态，重新建立 Bit Lock 和 Symbol/Block Lock 的过程与 Polling 状态相似，但是要比 Polling 状态花的时间更短。

6. L0s 状态

L0s 是 ASPM（Active State Power Management）机制提供的第 1 级低功耗状态，该状态可以在较短的时间内切换到 L0 状态。当设备要从 L0 状态切换到 L0s 状态时，需要向外发送 EIOS。当设备要从 L0s 状态切换到 L0 状态时，需要向外发送多个 FTS，从而快速获取 Bit Lock 和 Symbol/Block Lock。

7. L1 状态

L1 是 ASPM（Active State Power Management）机制提供的第 2 级低功耗状态，它的功耗比 L0s 低，但是需要更长的时间才能切换到 L0 状态。想要进入 L1 状态，位于 PCIe 总线两端的设备需要进行协商，然后同时进入 L1 状态。两种可能的方式如下：

ASPM 机制下硬件自动切换。当 Upstream Port 的硬件发现没有 TLP 或者 DLLP 需要再发送的时候，就会自动和 Downstream Port 进行协商进入 L1 状态。如果 Downstream Port 同意，则二者同时进入 L1 状态；如果 Downstream Port 拒绝，则 Upstream Port 会进入 L0s 状态。
电源管理软件通过命令将设备配置为低功耗状态（D1，D2，D3hot）。此时 Upstream Port 和 Downstream Port 上的设备同时进入 L1 状态。

8. L2 状态

L2 状态是ASPM（Active State Power Management）机制提供的第 3 级低功耗状态，此时设备的主电源被关闭，从而达到更低的功耗。该状态下，几乎所有的逻辑都被关闭，只有一小部分使用 Vaux 供电的逻辑在工作，该部分逻辑可以用来发送 wakeup 事件。

支持 wakeup 功能的 Upstream Port 能向外发送一个低频信号，该信号称为 Beacon。Downstream Port 将 Beacon 信号转发给 Root Complex。通过 Beacon 或者 WAKE# 引脚，设备可以要求系统恢复它的主电源供电。

9. Loopback 状态

该状态是用来测试的，但是协议并没有明确规定 Receiver 在该状态下做些什么。基本的操作很简单：设备 A 作为 Loopback Master，连续对外发送两个 TS1 Ordered Sets，并且 TS1 的 Training Control 区域的 Loopback 位需要设置为 1。设备 B 接收到连续两个 Loopback 位为 1 的 TS1 之后，就会进入 Loopback state，称为 Loopback Slave。Loopback Slave 会将收到的所有内容再发送给 Loopback Master，从而形成回环，验证链路的完整性。

10. Disable 状态

系统软件可以通过设置寄存器，使 PCIe 链路进入 Disabled 状态。当 PCIe 链路的对端设备被拔出时，LTSSM 也需要进入该状态。

该状态下，发送端设备处于 Electrical Idle 状态，接收端设备处于低阻抗状态。对于链接已经变得不可靠或者设备被意外移除时，这种状态很有必要。

系统软件配置 Link Control register 的 Disable 位之后，该设备会对外发送 16 个 TS1 Ordered Sets，这些 TS1 的 Training Control 区域的 Disable Link 位需要设置为 1。接收设备在收到这 16 个 TS1 之后，进入 Disabled 状态。

11. Hot Reset 状态

系统软件将 Bridge Control register 的 Secondary Bus Reset 位设置为 1 之后，Bridge 的 downstream port 会对外发送多个 TS1 Ordered Sets，这些 TS1 的 Training Control 区域 Hot Reset 位必须被设置为 1。接收设备收到连续 2 个这种 TS1 之后，必须对设备进行复位。

当处理器系统进行 Hot Reset 操作时，PCIe 链路将进入 Recovery 状态，然后进入 Hot Reset 状态进行 PCIe 链路的重训练。