1. PCIe基礎知識
PCI-Express（peripheral component interconnect express）是一種高速串行計算機擴展總線標準，它原來的名稱爲“3GIO”，是由英特爾在2001年提出的，旨在替代舊的PCI，PCI-X和AGP總線標準。
與大多數總線一樣，PCIe總線也包括電氣屬性和協議組成兩部分。完整地瞭解PCIe是相對複雜的，所以從應用角度來講，我先從基本的協議入手，對PCIe有個初步的認識。拓展學習可以參考官方協議規範文檔《PCI Express Base Specification》。
PCIe 規範對於設備的設計採用分層的結構，有事務層、數據鏈路層和物理層組成，各層有都分爲發送和接收兩功能塊。
在發送端，應用程序（設備核A）在事務層形成事務層包（TLP——Transaction Layer Package），儲存在發送緩衝器裏，等待推向下層。在數據鏈路層，在TLP 包上再串接一些附加信息，這些信息是對方接收TLP 包時進行錯誤檢查要用到的，形成數據鏈路層包（DLLP——Data Link Layer Package）；在物理層，對DLLP 包進行編碼，佔用鏈路中的可用通道，從發送器發送出去。
在接收端，實際上是發送端的“逆”過程。如果說發送端是在不斷組包，那麼接收端就是不斷的拆包，最後提取出有用的數據信息供B設備的應用程序使用。
整個過程實際上和以太網的過程很相似，都是在不同層級上進行數據的擴展。在FPGA的開發過程中，實際上從事務層到物理層都是封裝好了的，組成標準IP核。用戶通過IP核要求的總線協議（如AXI4-Stream）與之進行數據交換。
2. 事務層協議
2.1 數據包結構
有了IP核之後，實際上我們最關心的就是事務層包的數據格式。
事務層數據包（TLP）主要由：一個或多個可選的前綴（TLP Prefixes）、一個幀頭（TLP Header）、一個數據有效負載（Data Payload）和一個可選的摘要（TLP Dignest）組成，下面簡單介紹一下各部分。
- 前綴（TLP Prefixes）
有PCIe V2.1總規範引入，主要起擴展幀頭的作用。如果用不到，可以省去該字段。
- 幀頭（TLP Header）
TLP Header是TLP中最重要的標誌，不同的TLP其頭的定義並不相同。TLP 頭標長3 或者4 個DW（DW = double word——雙字，32位），格式和內容隨事物類型變化；
- 數據有效負載（Data Payload）
即主設備要傳輸的數據。數據的長度最小爲0，最大爲1024DW，視具體情況而定。該字段也是一個可選項，因爲有些TLP並不需要傳遞數據，如存儲器讀請求、配置和I/O寫完成TLP也不需要。
- 摘要（TLP Dignest）
摘要是一個可選項，長度爲1DW。一個TLP是否需要Dignes是由Header中TD字段決定。如果接受設備支持ECRC校驗的功能的話，則該字段用來防止TLP中的數據校驗碼ECRC。
2.2 幀頭含義詳述
TLP Header長3 DW或者4 DW，格式和內容隨事務類型的不同而不同。但是對於所有TLP Header來講，都擁有相同的第一個DW定義，如下圖所示（R：Reserved，爲0）。
- Fmt（[31:29]）——Format of TLP
Fmt是關於頭標長度和該TLP是否有數據（字段）的信息，如下圖所示。實際上是3 DW還是4 DW是根據要訪問目標的地址位寬有關。
-
Type（[28:24]）
Type的5位編碼與Fmt字段一起用於規定事務類型、頭標長度和是否有數據負載，如下圖所示，只列舉了一部分常用的類型，完整版可以查閱官方協議規範。
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TC（[22:20]）
Traffic Class，傳輸類型也代表優先級，優先級高的先得到服務。這裏是3比特，說明可以分爲8個等級，0-7，TC默認是0，數字越大，優先級越高。
-
Attr（[18]、[13:12]）
該字段表述TLP的屬性，由3位組成，注意不是連續的。具體含義見規範。
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TH（[16]）
位爲 1 表示當前 TLP 中含有 TPH（TLP Processing Hint）信息，TPH 是 PCIe V2.1 總線規範引入的一個重要功能。TLP 的發送端可以使用 TPH 信息，通知接收端即將訪問數據的特性，以便接收端合理地預讀和管理數據。
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TD（[15]）
表示 TLP 中的 TLP Digest（之前說ECRC可選）是否有效，如果這個這個bit置起來，說明該TLP包含ECRC，接收端應該做CRC校驗；
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EP（[14]）
表示當前 TLP 中的數據是否有效，爲 1 表示無效，爲 0 表示有效。
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AT（[11:10]）
Address Type，地址種類，與 PCIe 總線的地址轉換相關，可暫時不考慮。
-
Length（[9:0]）
用來描述 TLP 的有效負載（Data Payload）大小。PCIe 總線設置 Length 字段的目的是提高總線的傳送效率。Length 字段以 DW 爲單位，其最小單位爲 1 個 DW。
3. 報文舉例
因爲PICe的報文種類非常多，只舉兩個進行舉例說明。
3.1 寄存器讀報文
如下圖所示，是一個32位尋址的寄存器讀的完整報文（上節只介紹了第一個DW）。首先解釋一下多的幾個字段的含義。
- Requester ID
該字段字段包含生成TLP報文的PCIe設備的總線號（Bus Number）、設備號（Device Number）和功能號（Function Number）。唯一的找到目標設備，那是因爲不同的Endpoint設備空間會映射到Host內存空間的不同位置。
- Tag
Requester ID、Tag合起來組成Transaction ID，在同一時間段內，PCIe設備發出的每一個Non-Posted數據請求TLP，其Transaction ID必須唯一。也就是Tag必須唯一。
- Last DW BE和1st DW BE
在PCIe 總線以字節爲基本單位迕行數據傳遞，但是 Length 字段以 DW 爲最小單位。爲此TLP 使用 Last DW BE 和 First DW BE 返兩個字段迕行字節使能，使得在一個 TLP中，有效數據以字節爲單位。
- Address
對一個PCIe設備來說，它開放給Host訪問的設備空間首先會映射到Host的內存空間，Host如果想訪問設備的某個空間，TLP Header當中的地址應該設置爲該訪問空間在Host內存的映射地址。
值得注意的是：報文是以DW劃分來進行說明，但實際過程中，頂層應用與PCIe IP核採用64位數據的AXI4通信，所以在發送TLP所需字段數據時，主要大小端的問題。
3.2 完成報文
有non-posted request TLP，纔有Completion TLP。有因纔有果。前面看到，Requester 的TLP當中都有Requester ID和Tag，來告訴接收者發起者是誰。那麼響應者的目標地址就很簡單，照抄發起者的源地址就可以了。因此，Completion TLP的Header如下：
- compl Status
完成情況指示。000--成功完成；001--不支持該請求。其餘情況可查閱規範。
- Byte Count
是指還剩下多少字節的數據需要讀取。其餘字段可自行查閱規範。
4. 機制簡述
4.1 Non-Posted和Posted
PCIe總線規定了兩類數據傳送方式，分別是Non-Posted和Posted數據傳送方式。
在PCIe總線中，Non-Posted總線事務分兩部分進行，首先是發送端向接收端提交總線讀寫請求，之後接收端再向發送端發送完成（Completion）報文。PCIe總線使用Split傳送方式處理所有Non-Posted總線事務，存儲器讀、I/O讀寫和配置讀寫這些Non-Posted總線事務都使用Split傳送方式。簡單的說就是“一問一答”的方式。
而Posted總線事務，是隻向終端發送報文，而終端無需反饋完成報文，所以是一種“單向發送”的機制。