【UCIe】UCIe Sideband 介绍

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0. 缩写释义

• CfgRd - Configuration Read，配置读请求，CfgRd32/64 对应 32/64bit 配置读。
• CfgWr - Configuration Write，配置写请求，CfgWr32/64 对应 32/64bit 配置写。
• Cpl - Completion without Data，不带数据的完成事务。
• CplD - Completion with Data，带数据的完成事务。
• D2D - Die-to-Die。
• DDR - Double Data Rate，双倍数据速率。
• FDI - Flit-Aware Die-to-Die Interface。
• LSM - Link State Machine，链路状态机。
• MMIO - Memory-Mapped IO。
• MRd - Memory Read，内存读请求，MRd32/64 对应 32/64bit 内存读请求。
• MWr - Memory Write，内存写请求，MWr32/64 对应 32/64bit 内存写请求。
• Msg - Message, Message without Data，不带数据的消息。
• MsgD - Message with Data，带数据的消息。
• RDI - Raw Die-to-Die Interface。
• SB - Sideband，边带。
• SDR - Single Data Rate，单倍数据速率。
• UI - Unit Interval，单位间隔。

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1. 基本介绍

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  UCIe 提供了两大数据通路：Mainband 及 Sideband。Mainband 用来传输业务数据流，Sideband 用来来处理一些 链路训练、链路管理、参数交换及寄存器访问 等非数据传输业务。Sideband 作为 Mainband 的 Back Channel，能够简化数据链路的建立过程、提升 Mainband 的带宽利用率、简化 Mainband 设计复杂度。

  除了常规意义上的 Die 间 UCIe Link Sideband，UCIe 还有 FDI Sideband 及 RDI Sideband，在不同层次间传递边带信息。UCIe 支持类似于 PCIe 的 4 种数据包，包括配置读写、内存读写、Completion 及 Message。

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2. Sideband 功能

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  UCIe Sideband 在 D2D 参数交换、链路训练、链路管理及寄存器访问方面发挥着不可或缺的作用，但无论是哪一方面，UCIe Sideband 做的只有两点：① 寄存器访问；② Message 传递。

2.1 寄存器访问

  UCIe 是个分层协议，根据作用的不同，其寄存器也分布在协议层、Adapter、物理层等各个层次。通过 UCIe Sideband，实现同 Die 内不同层次间的直接寄存器访问，或跨 Die 的间接寄存器访问。

• Local Die 寄存器访问。同一 UCIe Die 内，上层通过 Sideband 访问下层寄存器，比如协议层访问 Adapter、物理层寄存器，比如 Adapter 访问物理层寄存器，都可以直接通过 FDI 或 RDI 上的 Sideband 接口实现寄存器访问。
• Remote Die 寄存器访问。不同 UCIe Die 间，Master Die 可以基于 Mailbox 机制，由 Adapter 发起 Sideband 寄存器访问操作，间接访问对端任何层次的 UCIe 相关寄存器。

2.2 Message 传递

  UCIe 通过在 UCIe Layer 间或 Die 间的 Sideband 来传递相关 Message，从而实现参数交换、链路训练及链路管理。

• 链路训练。Sideband Message 传递贯穿整个 UCIe 链路训练过程（SBINIT->MBINIT->MBTRAIN->LINKINIT->ACTIVE）。
• 链路管理。UCIe 通过 Sideband Message 实现 PM、Retrain 等链路状态的管理。
• 参数交换。参数交换发生于链路初始化期间。Stage2 发生于 Sideband 初始化之后，Stage2 时在 UCIe 链路物理层之间通过 Sideband 交换训练参数，对 Mainband 进行训练。Stage3 时 Mainband 物理链路训练完毕，此时通过 Sideband 在 Adapter 之间交换协议参数 ，协商要采用的协议及 Flit 格式。

2.3 作用范围

  采用 Sideband 进行寄存器访问及 Message 传递时，Sideband 消息在层与层之间、Die 与 Die 之间传递时并不是畅通无阻的，而是有一定“地域”限制的。比如，协议层可以通过 FDI Sideband 直接访问 Local Die Adapter 及物理层的寄存器，却不能直接访问对端 Die 上的 UCIe 寄存器，只能通过 Mailbox 机制来访问。

  以 Die0->Die1 方向的请求、Die1->Die0 方向的 Completion、Die0->Die1 方向的 Message 为例，笔者总结了 UCIe 1.0 Spec 中明确提到支持的 Sideband 在 UCIe 层间传输路径（或有不全），如图 1 所示。

▲图 1：Sideband 层间传输

  留几个问题：

1. 跨 Die 的 Completion 均送到了 Adapter，想必是基于 Mailbox 机制访问远端 UCIe 寄存器得到的响应，那么这些 Completion 对应的寄存器访问请求是如何传递到对端的？Adapter Mailbox 触发的到对端 Die 的 Sideband 请求，不算请求吗？
2. 没看到 Adapter 到物理层的寄存器访问请求，是没有吗？
3. 没看到 Adapter与物理层之间的 Message，是没有吗？
4. 没看到物理层访问上层的 Adapter 或协议层的 UCIe 寄存器，是没有需求吗？
5. 协议层到协议层之间为什么不能传递 Message？

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3. 数据包

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3.1 分类

  UCIe Sideband 支持 4 种不同的数据包：① 配置读写（CfgRd/Wr）、② 内存读写（MRd/Wr）、③ 完成（Cpl/Cpld）及 ④ 消息（Msg/MsgD）。其中：

• 配置读写及内存读写都是用于寄存器访问，区别在于寄存器位于配置空间还是 MMIO 空间。若访问 UCIe 配置空间内的寄存器，比如 Host Die 访问 EP UCIe Link DVSEC 内的寄存器，则采用 CfgRd/Wr；若访问其他 MMIO 区域的寄存器，比如 D2D Adapter 内的寄存器，则采用 MRd/Wr。 根据寄存器数据位宽的不同，寄存器访问请求又可以分为 32bit 及 64bit。

• Completion 一般对应寄存器访问请求的 Response。根据是否携带数据及返回数据的位宽不同，Completion 可以分为不带数据的 Cpl 及携带数据的 CplD，CplD 又分 32bit 数据及 64bit 数据。这里的 32/64bit 跟 PCIe 稍有不同，PCIe 中 32/64 bit 是指地址位宽，在 UCIe 中是指寄存器数据位宽。

• Message 一般用于 D2D 间参数交换、链路训练、链路管理及其他 Vendor 自定义的场景。根据是否携带数据，消息分为 Msg 及 MsgD。

  跟 PCIe TLP Header 的 FMT+Type 字段类似，UCIe 通过 Sideband Packet 中的操作码（Opcode）来区分是哪种类型的 Sideband 数据包、是否携带数据、地址数据的位宽。

3.2 格式

  每一笔 Sideband Message 都由 64bit Header + 32 或 64bit Data 组成。每个 Clock Cycle 对 Sideband 数据接口采样一次，为 1 个 Phase，有几个 Phase 就代表当前 FDI/RDI Sideband 帧需要几个 UI 才能发送出去。以位宽 32bit 的 FDI/RDI Sideband 数据接口为例，介绍下 Sideband 的数据格式。

3.2.1 MRd/Mwr/CfgRd/CfgWr

  寄存器访问请求的 Sideband 帧格式如图 2 所示。重点介绍几个字段：

• srcid 及 dstid 表明了 Sideband 寄存器请求的来源及目的地（协议层、Adapter、物理层，Local、Remote）。

• tag 是 Requester 添加的标签，用以将 Outstanding 请求跟响应相对应。

• addr 只有 24bit。当寄存器访问请求为 Cfg 类型时，24 位地址由 {RL[3:0], Rsvd[7:0], Byte_Offset[11:0]} 组成。这里的 RL 即 UCIe Link DVSEC 中的 Register Locator，为 0 表明当前地址为 UCIe Link DVSEC 中的地址，为 F 代表 Adapter 中的一些 shadow 寄存器地址。当寄存器访问请求为 MMIO 类型时，24 位地址由 {RL[3:0], Offset[19:0]} 组成。无论哪种地址组成方式，这里的地址都是一个在基地址基础上的偏移，基地址由 Host 或 Register Locator 寄存器提供。

▲图 2：Sideband 寄存器访问请求帧格式

3.2.2 Completion

  Completion 的 Sideband 帧格式如图 3 所示，其跟寄存器访问请求大同小异，其中有几点不同：

• Status，表明当前 Completion 的状态，包括 Success、UR、CA、Stall 四种状态。
• Completion 在 FDI 上的去向不依赖于 dstid 而是依赖于 tag。
• 没有 addr 地址字段。

▲图 3：Sideband Completion 帧格式

3.2.3 Message

  带 Data Payload 和不带 Data 的 Message Sideband 帧格式如图 4,5 所示。比较关键的几个字段位 MsgCode、MsgSubcode、MsgInfo，比较好理解，不再赘述。

▲图 4：Sideband Msg 帧格式

▲图 5：Sideband MsgD 帧格式

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4. 接口及时序

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4.1 接口分类

  UCIe 有 3 类不同的 Sideband 接口：

• FDI Sideband，在协议层与 Adapter 之间传递 Sideband 信息。FDI 接口上跟 Sideband 相关的信号为 pl_cfg* 及 lp_cfg*，协议层可以经 FDI Sideband 向 Adapter 发送寄存器访问请求，但 Adapter 不能向协议层发送寄存器访问请求（RDI 接口上存在来源于协议层、终点为远端 Adapter 的 Completion，这个 Completion 对应的请求是怎样的？Adapter 没有通过 Sideband 向协议层发送请求就能得到相关的 Completion 吗？待讨论）。

• RDI Sideband，在 Adapter 与物理层之间传递 Sideband 信息。RDI 接口上有一组跟 Sideband 相关的信号（pl_cfg* 与 lp_cfg*），逻辑物理层从 RDI 接口接收到 Sideband 相关信息后，封装成帧转换为串行数据流通过 PHY 传输到对端。同理，对端 PHY 发来的串行 Sideband 数据在逻辑物理层解包，通过 RDI 口上的 Sideband 信号发送到 Adapter。

• UCIe Link Sideband，在 两个 UCIe Die 之间的物理层之间传递 Sideband 信息。跟 FDI RDI Sideband 不同，UCIe Link Sideband 数据线位宽只有 1，传输的为串行 Sideband 数据流，Clock 频率为 800MHz。

4.2 发送时序

  每一笔 Sideband Message 都由 64bit Header + 32 或 64bit Data 组成，若 Data 为 32bit，需要高位补 0 到 64bit。发送串行数据时，每 64bit 为 1 个 Packet，相邻 Packet 之间插入 32bit 0 以分隔不同的 Packet。每个 Clock Cycle 发送 1bit Sideband 数据，下降沿采样。如图 6 所示。

▲图 6：UCIe Sideband Message 格式及其背靠背传输

  相比于支持多速率 DDR 传输的 Mainband，UCIe Sideband 采用 800Mbps 的固定速率 SDR 传输。UCIe Sideband 工作在 Always On 状态下，不受低功耗状态的影响，无论 LSM 处于哪种低功耗状态，Sideband 对应的时钟都是能够正常运行的。

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5. Sideband 流控

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Sideband 流控

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6. 问题讨论

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1. Milbox 机制需要定义 Local 和 Remote Die 吗？适用于 Local Die 吗？
  不用定义 Local 和 Remote，UCIe Link DVSEC 的 Mailbox 寄存器也没有地方来定义 Local 或 Remote。Mailbox 机制就是唯一访问对端用的，访问 Local Die 的寄存器直接通过 Sideband 访问就好了，用不到 Mailbox。

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7. 参考 & 友链

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1. UCIe Spec r1.0, Chapter 6
2. 谈谈UCIe的Sideband
3. UCIe协议详解(Sideband)
4. UCIe 软件配置
5. UCIe 物理层介绍（逻辑物理篇）

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