PCIe系列专题之六：PCIe系统复位方式

kevin__xu 2022-03-25

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＊故事前传

＊系统复位(System Reset)

一、故事前传

前面的文章针对PCIe的一部分内容已经做了解析。

较为详细解释请见之前的文章：
1. PCIe技术概述；
2.0~2.8 PCIe事务层详细解析；
3.0~3.2 PCIe数据链路层详细解析；
4.0~4.1 PCIe物理层解析；
5. PCIe电源管理；

二、系统复位(Reset)

在PCIe Spec中，Reset总共分为两类：Conventional Reset和Function Level Reset.

1. Conventional Reset

从字面上来讲，Conventional Reset是传统的Reset方式。这一类Reset功能是在PCIe Spec 2.0之前的Spec中定义的，所以称为传统的Reset。PCIe设备必须要支持这一类Reset。

Convential Resets包含了三种Resets: Cold Reset，Warm Reset 和 Hot Reset.

另外，还有一个概念: Cold Reset和Warm Reset又被称为Fundamental Reset, Hot Reset被称为Non-Fundamental Reset.

什么是Fundamental Reset呢？

这是PCIe最基本的复位方式，主要通过硬件实现，效果是重置整个设备，对每个状态机、所有硬件逻辑、端口状态和配置寄存器重新初始化。

但是，也会有例外的情况：在某些寄存器中的字段只有在全部电源(包括VCC电源和Vaux备用电源)切断的情况下才会被重置。PCIe Spec给这些固执的字段起了个外号"Sticky Bits".

一般来说，Fundamental Reset是针对整个系统做Reset，但是有时也可以针对某个单一设备进行重置。

在这里说明一下Fundamental Reset中的Cold Reset和Warm Reset。

Cold Reset: 设备的主电源VCC上电时，就会触发Cold Reset。
Warm Reset: 在VCC不断电的情况下，系统可以触发Warm Reset。比如，电源状态的变化就会触发Warm Reset. 不过，PCIe Spec并没有定义触发Warm Reset的具体方式，这部分可以有系统设计人员自行决定。

另外，在PCIe Spec中，规定了两种触发Fundamental Reset方式。

一是通过PERST#(PCIe Reset)信号控制。
二是在没哟PERST#信号的情况下，通过Power on/off的方式实现。

举个例子，看看PERST#是如何生成的。

系统上电稳定后，有POWERGOOD信号产生(下图红色框所示)。
当系统的南桥芯片(也就是图中的IO控制器ICH)收到POWERGOOD信号后，就会产生PERST#信号(下图绿色部分)，此时会引起Cold Reset。
如果系统可以通过非上电的方式触发PERST#信号，此时会引起Warm Reset。

明白了Fundamental Reset，那Non-Fundamental Reset中的Hot Reset又是什么呢？

与Fundatmental Reset相反，Hot Reset是一种软件控制的复位方式。PCIe设备出现错误时，通常情况下用软件的方式对设备重置。软件可以通过在Bridge control中设置Secondary Bus Reset bit来触发Hot Reset.

另外，在PCIe总线中，通过发送TS1序列，并且在TS1序列中设置Hot Reset bit来对下游设备进行Hot Reset(如下图红色框).

在这个过程中，发送端会持续发送TS1序列至2ms, 接收端在接到2个连续的TS1序列之后进行Hot Reset.

同样，举个例子说明一下Hot Reset:

系统通过软件对Switch A左边端口的Secondary Bus Reset bit置为1(下图红色框)，触发了Hot Reset.
之后通过发送TS1序列对PCIe链路中的下游设备触发Hot Reset(下图黑色箭头).

2. Function Level Reset

在传统复位方式的基础上，PCIe Sepc 2.0以后开始增加了新的复位方式FLR(Function Level Reset)。前面讲到的传统复位方式(Cold Reset, Warm Reset, Hot Reset)均属于全局复位方式，而FLR的优势则是对局部复位。

在PCIe协议中，一个PCIe设备可能包含多个功能模块(Function)，每个功能模块相互对立，共用一个PCIe link。其中，某个功能模块出问题时，虽然可以采用传统复位方式对整个PCIe设备复位，但这个显然不友好，因为其他功能模块可能正在埋头苦干。这就好比如，在一个团体中，一个人犯错了，要团队所有人一起承担，这个肯定会影响团结呀。

所以，PCIe深得管理学的精髓，为了不影响团结，FLR允许只对其中出错的功能模块(Function)进行重置，其他功能模块正常工作。

不过，FLR复位方式对PCIe设备并不是必须的，在对PCIe设备使用FLR复位之前必须先检查是否支持FLR。这部分可以查看Device Capabilities Register是否将Funcion-Level Reset Capability bit置起。

如果PCIe设备支持FLR，那么就可以通过设置Device Control Register中的Function-Level Reset bit触发FLR复位咯~

触发FLR之后，PCIe链路中都有哪些变化呢？

我们前面提到了，FLR是一个局部复位方式，只对出问题的那个Function起作用。所以说，FLR只会改变当下Function内部的状态和寄存器的内容。以下几个方面不会被影响：

执行FLR的Function所在的PCIe链路状态不会改变，因为其他Function也在共用整条PCIe链路；
Sticky Bits. 传统复位方式也无法改变Sticky bits, 除非完全断电。
HwInit Bits. HwInit bits是硬件初始化的内容，这些值由芯片的配置引脚决定，后者上电复位后从EEPROM中获取。Cold和Warm Reset可以复位这些寄存器，然后从EEPROM中从新获取数据，但是使用FLR方式不能复位这些寄存器。
与Link相关的寄存器。比如ASPM，Flow control等相应的寄存器。

另外，PCIe Sepc规定，某个Function的FLR必须在100ms之后完成。所以，PCIe Spec写了一封倡议书给要使用FLR复位方式的"人们"-软件：

为了创造一个温馨的FLR工作环境，请做到以下几点：
在FLR工作期间，请不要访问对应的Function；
清除所有的Command Register；
通过Polling Device Status Register中的Transaction Pending bit来确保之前请求的Compeletion报文已完成，或者确保后续不会再发送Compeletion报文。
触发FLR之后，请耐心等待至少100ms;
初始化Function的配置寄存器，让其正常工作。

在FLR执行的过程中，如果收到TLP或者Compeletions都会被默默的丢弃，而不会向系统报错。

举个栗子，看看FLR执行过程，

1. 如下图，这个PCIe设备中有两个功能模块：Function 0和Function 5. 此时，两个Functions依旧是互不干扰，认真工作，传输TLPs.
2. 之后，Function 5出了一些问题，需要做FLR。FLR之后，Function5中的之前的TLPs全部被清除。
3. Function 5做FLR，并不影响Function 0，继续TLPs传输。如下图，3个TLPs正常传输完毕。