✨ 1. 锁定事务背景介绍

有些CPU在执行指令的过程中有可能误触发锁定而进入锁定访问模式。比如，一些传统的软件并不需要exclusive访问，但由于错误地使用了现如今会导致锁定的事务而对PCIe链路产生了锁定。由于锁定访问IO设备会潜在引入死锁、恶化传输性能，故（纯粹的）PCIe EP被禁止使用锁定访问，新的软件也不允许使用含有锁定访问IO设备操作的指令。为避免使用传统软件的系统访问IO设备造成死锁，在PCIe系统中常采用RC代替主机CPU发起锁定事务。

锁定事务是非转发事务，有三种：锁定存储器读请求（MRdLk）、与锁定存储器读请求对应的不带数据的完成（CplLk）及与锁定存储器读请求对应的带数据的完成（CplDLk）。PCIe系统中只允许RC发起锁定访问，不允许EP及bridge发起锁定访问，支持锁定访问的传统EP也仅用于兼容已有的旧版本软件。这符合PCI协议exclusive访问中对锁定事务的限制条件。锁定存储器读事务协议示意图如图1所示。

在这里插入图片描述

图1 锁定存储器读事务协议示意图

✨ 2. 锁定事务的发起及传输

锁定事务是在写请求事务之后由主机CPU发起的一笔或多笔读请求事务，读请求与写请求的目标地址相同。锁定存储器读请求TLP利用包头标里的信息向下游路由，通过交换开关，到达目标完成者。该请求的完成者只能是传统EP。一旦锁定建立，在被锁定的RC到传统EP或桥之间的路径上，所有其他请求都会被阻塞。

📌 锁定事务的发起及传输遵循以下规则：

锁定事务序列以MRdLk、CplDLk等锁定事务开始，以解锁消息结束。
解锁消息用以指示锁定解除，由RC下发给完成者，也可以采用广播的方式广播给所有EP及桥，与锁定无关的设备会忽略该消息。
解锁消息由交换节点将其传递给交换节点中锁定了的出端口。
收到解锁消息后，传统EP及交换节点必须解除锁定。对于PCIe EP或桥等不支持锁定的接收者，解除锁定对齐无影响。
所有违反锁定事务发起/传输规则的都有可能导致未知的设备/系统行为。
以MRdLk开始的锁定事务，其接下来的存储器读请求也必须是锁定访问，收到CplDLk表示读成功，CplLk表示失败。若锁定读请求请求失败，意味着锁定访问的原子性被破坏，请求者与完成者之间的锁定也不复存在。
没有存储器写的锁定请求，只有正常的存储器写请求。

✨ 3. 各PCIe组件的锁定访问规则

👉3.1 交换节点的锁定访问规则

交换节点必须对锁定事务及非锁定事务进行区分，防止锁定事务影响到非锁定事务，导致潜在的死锁。交换节点应遵循以下规则：

交换节点从入端口到出端口传递MRdLk请求时，需阻塞住所有送往出端口的映射到VC0的访问请求。若接下来交换节点入端口收到了另一笔送往其他出端口（不同于上一MRdLk出端口），目前尚无相关规范。PCIe不支持出端口不同的锁定访问，软件也不能产生这种锁定请求。一旦出现这种情况，系统极有可能被死锁。
在发出MRdLk请求后并收到CplDLk后，若完成状态为成功，交换节点需阻塞住所有传输在锁定访问相关端口上的非锁定请求。当然，出端口上映射到VC0的请求事务不受此影响。
交换节点与锁定访问相关的入端口与出端口应保持锁定状态，直到当初收到锁定请求的入端口收到解锁消息之后才能解除锁定。解锁消息必须转发至出端口，也可以广播至所有其他端口。跟锁定访问无关的端口不受解锁消息的影响。

📌 注：以上锁定访问事务仅限于TC0。

👉3.2 PCIe-PCI桥的锁定访问规则

PCIe-PCI桥的锁定访问规则与交换节点相似。由于PCIe-PCI桥仅适用于VC0/TC0，一旦开启了锁定访问，在PCIe-PCI桥上所有其他非锁定请求也都被阻塞住了。

👉3.3 RC的锁定访问规则

RC允许作为锁定事务的请求者。若RC支持锁定事务，RC需遵循第2节的规则才能发起锁定访问。

👉3.4 传统EP的锁定访问规则

传统EP支持锁定访问，但不建议使用。若传统EP支持锁定访问，其应按照如下规则处理锁定访问：

传统EP在收到第一笔锁定读请求之后反馈一笔完成消息。若完成状态为不成功，传统EP不能锁定；若完成状态为成功，传统EP锁定。
锁定以后，传统EP禁止发送任何TC映射到VC0的请求事务，但仍然可以采用其他TC（非映射到VC0）发送请求事务。

👉3.5 PCIe EP的锁定访问规则

PCIe EP不支持锁定，PCIe EP将MRdLk请求当作UR处理。

📚参考

PCI Express Base Specification Revision 5.0 Version 1.0 (22 May 2019)
PCI Express Technology - Comprehensive Guide to Generation1.x, 2.x and 3.0. Mike Jacson, Ravi Budruk, MindShare, Inc.
PCI、PCI-X和PCI Express的原理及体系结构，马锦明，朱剑冰等著