【忆芯技术分享】PCIe5.0全速而来：新特性初析
PCIe最近几年发展非常快，年初6.0协议标准定稿时，4.0设备也只是刚刚开始导入。忆芯科技上半年流片的新一代高性能企业级SSD主控芯片STAR2000，就是基于PCIe 4.0标准，其性能较之前的产品提升一倍。之后立即就启动了PCIe5.0 STAR1500主控的研发，前端带宽又有一倍的提升。
今天我们就来聊聊PCIe 5.0协议一些主要更新，这些更新集中于物理层，包括有序集，均衡，预编码和备用协议协商等。
一 ►
有序集
有序集更改是5.0版本的一项重要修改。EIEOS有序集(Electrical Idle Exit Ordered Set)的pattern相对4.0的16个连续的0/1序列变为32个连续的0/1序列（如下图所示）。同时两个EIEOS必须是背对背连续出现的。
SDS（Start of Data Stream Ordered Set）符号1-15的内容从0x55修改为0x87。
（图片来自PCI-SIG）
SKP（Skip Ordered Set）符号0-11的内容从0xAA修改为0x99。
TS1/TS2 Ordered Set不同的符号位还有下面的一些修改。
（图片来自PCI-SIG）
符号5的变化用于协商EQ旁路/修改TS1/TS2协商（用于备用协议协商等事情），而符号6和7的变化是用于预编码。
（图片来自PCI-SIG）
二 ►
均衡（EQ）
均衡的流程也增加了新的选项。Full-EQ过程如下图所示，从Gen1到Gen3的EQ，然后是Gen3到Gen4的EQ，最后是Gen4到Gen5的EQ，逐次进行，这个过程的时间相较于Gen3/Gen4会更长，同时对于只工作在Gen5的链路而言，中间Gen3/Gen4的EQ过程也会显得有些浪费时间。
（图片来自PCI-SIG）
为了解决延迟问题，5.0规范提供了旁路选项，如下图所示，可以跳过Gen3和Gen4的EQ过程，直接进行从Gen1到Gen5的一次EQ。只有链路两端都支持时，才可以采用这种旁路模式，否则还是会按照Full-EQ模式进行均衡和训练。对于两端都支持Gen5或以上速率的设备，如果把目标设置为Gen3或Gen4的速率，不建议采用旁路模式。
（图片来自PCI-SIG）
还可以通过设置No EQ位来跳过所有EQ的过程，直接切到Gen5速率，能够大大节省时间。如果本地存有之前预设好的均衡参数值，或者对链路的质量有足够的信心，可以采用这种模式。
三 ►
预编码（Precoding）
PCIe接收端采用DFE(反馈判决均衡器)进行判决，在Gen5速率下比Gen4更容易发生Burst Error(突发错误)。为了减少连续突发错误的发生，Gen5速率下可以启用Precoding。Precoding仅适用于Gen5及以上速率。PCIe Rx侧通过EQ TS2请求Tx开启Precoding。
Precoding存在于Tx Scramble之后、Rx De-scramble之前。开启Precoding不会影响信号质量及完整性。PCIe Precoding示意图如下：
（图片来自PCI-SIG）
从加扰器（Scrambler）出来的bit，与前一个输出bit进行异或再发送,对于没有前一个bit的第一个bit，则与1进行异或。发送侧生成过程如下图来所示：
接收到的bit与前一个接收到的bit进行异或输出，对于没有前一个bit的第一个bit，则与1进行异或。接收侧生成过程如下图来所示：
Precoding可以把连续多bit的Burst Error转化成2 bit的start Error及 end Error，从而达到消除Burst Error的目的。对于单bit的错误，开启Precoding后会变成2 bit错误，从而使系统误码率BER会提升到之前的两倍。
（图片来自PCI-SIG）
四 ►
备用协议协商
备用协议协商(Alternate Protocol Negotiation)，Alternate Protocol是指运行在PCIe上的非标准协议，目前有CXL协议。采用Modified TS1/2，跟Cfg.Lanenum.Wait、Cfg.Lanenum.Accept、Cfg.Comple并行，同时旁路EQ。
Modified TS1/2如下图所示：
（图片来自PCI-SIG）
备用协议协商状态机如下：
（图片来自PCI-SIG）
当系统和设备之间的协商成功，链路就可以立即以支持的最高速度进入L0状态，并开始使用协商的备用协议传输数据。
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北京忆芯科技有限公司成立于2015年底，作为国内较早从事高性能固态硬盘主控芯片研发的企业，致力于成为赋能大数据应用的芯片全球领导者。经过7年的发展，公司已成长为国内领先的高端PCIe SSD主控芯片和成品盘供应商，为各行业的信息化发展提供高质量芯片级底层保障，业务方向覆盖消费级、工业级和企业级，主控芯片及解决方案。
忆芯科技核心成员具有多年研发经验和多项研发成果，拥有从底层算法到芯片设计，再到解决方案设计等多方面的丰富经验。在坚持自主研发基础上，研发的芯片产品拥有250余项自主知识产权，并创新性地将处理器架构首次引入存储领域；现已成功完成4款高端消费级、企业级SSD主控芯片流片，所研发的高性能低功耗NVMe SSD主控已量产出货。公司总部位于北京，在上海、成都、合肥、厦门、深圳分别设有研发中心和客户技术支持中心。