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【PCIe 总线及设备入门学习专栏 5.3.1 -- PCIe PHY firmware load | trainning | link up 区别与联系】

article 2025/1/16 20:47:31

Overview

本文将介绍 PCIe PHY firmware加载与 PCIe phy link up 及 PCIe phy trainning的区别与联系。

在 PCIe 系统中，PHY Firmware 加载 、PHY Training 和 PHY Link Up 是链路建立过程中不同的阶段，它们各有特定作用，同时彼此存在关联。以下是对这些概念的详细介绍以及它们之间的区别和联系，最后通过一个实际例子说明整个流程。

PHY Firmware 加载是指将控制物理层运行的固件加载到设备的物理层处理单元（PHY）中。这是链路初始化的一个重要前提步骤。

功能：
1. 初始化物理层硬件，包括 PLL（Phase-Locked Loop）、SerDes（Serializer/Deserializer）等组件。
2. 配置传输协议参数，例如速率（Gen1/2/3/4/5）、编码方式、Lane 的数量等。
3. 实现高级调节功能，例如电平调整、抖动优化和均衡控制。
执行阶段 ：
- 通常由设备启动时的 Bootloader 或 Host Processor 触发。
- 固件可以存储在设备内部存储器（如闪存）或通过主机加载。
目的：
准备物理层的核心硬件，使其能够支持后续的链路操作。

Training 是在链路初始化过程中，用于链路校准和参数协商的阶段，其目标是确保主设备（Root Complex，RC）和从设备（Endpoint，EP）之间的信号传输可靠且高效。

关键过程 ：
1. 均衡训练 (Equalization Training) ：调整收发器的信号均衡参数（前馈均衡 FFE 和决策反馈均衡 DFE）以补偿信号传输的损耗。
2. 速率协商 (Rate Negotiation) ：选择设备之间支持的最大传输速率。
3. Lane 数协商 ：确定链路所使用的 Lane 数量（如 x1、x4、x16 等）。
4. 对齐和同步 ：确保发送与接收数据之间的时序和位级对齐。
目标：
在链路未开始实际通信之前，为物理层信号的传输建立最佳配置。

Link Up 是指 Training 成功完成后，链路进入正常工作状态，允许数据层和事务层数据的实际传输。

主要任务 ：
1. 完成 LTSSM（Link Training Status State Machine）的状态迁移，从 Detect 到 L0。
2. 初始化数据链路层，建立协议错误检测、序列号对齐和流量控制。
3. 开始实际的数据通信，传输 TLP（Transaction Layer Packets）和 DLLP（Data Link Layer Packets）。
触发条件 ：
必须在 Training 成功的前提下完成。如果 Training 失败，链路无法进入 Link Up 状态。

属性	PHY Firmware 加载	PHY Training	PHY Link Up
定义	初始化物理层核心硬件的过程	链路校准和协商配置的阶段	链路正式建立并支持数据通信的状态
阶段顺序	最早阶段，先于 Training	第二阶段，依赖固件加载完成	最后阶段，依赖 Training 完成
涉及内容	固件加载、硬件配置	信号均衡、速率协商、同步调整	数据层和事务层的数据传输准备
功能	准备物理层硬件	确保信号传输可靠	链路完成并可正常通信
数据类型	固件程序或配置指令	TS1/TS2 测试信号	实际的 TLP 和 DLLP
依赖关系	不依赖其他阶段，先完成	依赖固件加载完成	依赖 Training 成功

以一个 PCIe Gen4 x4 的 NVMe SSD 连接到主机为例：
（1）PHY Firmware 加载：

（2）PHY Training：

主机与 NVMe 控制器开始交换 TS1 和 TS2 测试信号：
- 主机询问 NVMe 是否支持 16 GT/s，如果对方响应，双方进入 Gen4 的均衡训练。
- 使用优化的 FFE 和 DFE 参数进行信号补偿，解决物理链路中的信号损耗。
- 通过 Lane 的差错检测确定 x4 配置可用。
如果均衡训练未能成功（例如信号质量不足），链路可能回退到 Gen3（8 GT/s）。

（3）PHY Link Up：