PCIe常见问题定位 与错误类型_.pcie: fail to init phy, err -110

基于Linux系统的PCIe常见问题定位总结

建链问题

PCIe的拓扑和Linux的PCIe ID

PCIe的建链问题比较常见，由于各种厂商定位PCIe的方式方法不同，这里我们只介绍协议的方式 如何判断当前链路状态。在介绍建链前需要补充一下PCIe设备如何查看ID。Linux系统下通过以下命令，可以查到当前 PCIe 的拓扑图。

lspci –vt

下图是执行该命令后某个编译服务器的部分拓扑截图。关键信息是各个设备的ID即DBDF(Domain,Bus,Deivce,Function)号，识别到ID后才能针对某个设备做精确的查询和控制。

图1

图中有个IEP设备就是0000:00:00.0, 这里的几个域的含义是第一个0000是domain域基本上都是0，第二个00是Bus总线号，第三个00是Device 设备号，第四个0是Function 功能号。这个RCiEP(Root Complex Integrated Endpoint)设备是Intel CPU自带的内部的模块，我们不需要关注，我们需要关注的是RP(Root Port)和EP(Endpoint)，这里是借这个设备说明一下如何查看PCIe 设备的DBDF号，图中红字也有说明。

这个图里面能看到有3 RP，即00:01.0, 00:02.0, 00:03.0。同时也能看到00:02.0下挂了一个EP，但这个EP有两个PF(Physical Function)，一个是02:00.0 WX7100 一个是02:00.1 RX580。同时00:03.0 下挂了一个EP，这个EP只有一个PF 03:00.0 NVMe SSD

自此，该拓扑解析完成，目前看到有3个RP 2个EP，且有个EP有2个PF，还有1个RCiEP。

注：绝大部分场景下，设备都在一个domain域内，所以lspci工具使用时通常会省略domain域，即domain默认值为0。

查看当前PCIe建链状态

当我们已经知道拓扑后，我们就知道哪个设备挂载哪个RP下了。假设我们有个设备挂载上图的0:01.0 这个RP上，但是没有看到EP设备怎么办。这时需要确认RP的建链状态

使用命令查看当前RP设备的配置空间解析，用于查看当前RP状态

sudo lspci -vvs 0:1.0

执行结果如下图所示

图2

其中红框中的DLActive- 就代表该Port并未建链。

无法建链问题

如果出现无法建链的情况需要优先排查下列三种情况

1. 卡是否有插入对应插槽，是否插槽插错了或者没有插好
2. EP卡是否有问题，在其他设备上是否能正常使用
3. RP对应的槽位是否能正常，别的正常卡能否插在该槽位正常工作

如果这三点都排查了，都工作正常，那有可能就是从RP到EP的链路质量不好。需要硬件先测一下眼图，看看是否真的信号质量太差。如果确实信号质量差，那就要按照协议调整PCIe的一些硬件参数。如果是自研芯片或者能看到寄存器信息的芯片，则可以通过读取芯片PCIe的状态机状态来判断是在那个阶段就出现问题了。还可以排查一些PCIe的配置，比如时钟来源等等。

建链的问题较多，这里只是给了一些思路，具体还要根据实际的场景实际分析。

注：可能有些BIOS/UBOOT在启动阶段如果不能建链, BIOS/UBOOT就会关闭对应RP用于节能。如果实在调试EP设备，需要注意启动时间与BIOS对应。

带宽速率不符合预期

如图3 所示DLActive状态正常，红框中的代表当前建链的状态即与对端协商到的带宽和速率是多少。蓝框中的表示当前我这个设备支持的单宽和速率是多少。

图3

图3是EP的配置空间，如果这里红框中的speed和蓝框中speed需要对应的话，那这会儿的建链是有问题的，需要确认为什么speed明明支持到8G/s(GEN3)但是当前只建链到2.5Gb/s(GEN1)。这里需要先确认RP的配置空间是否支持到8G/s(GEN3)，如果RP只支持则建链到2.5Gb/s(GEN1)是符合协议的。

图4

从图4中能看到RP是支持8G/s(GEN3)，这里就需要确认为什么链路只建链到2.5Gb/s(GEN1)。当然这里的原因是因为显卡根据负载会自动切换速率，当前我们没用显卡，所以显卡驱动时为了省电故意将速率切换到2.5Gb/s(GEN1)。但如果我们对接的卡并不支持动态切换速率的话，就需要检查为什么不能建链到更高速度。一般的原因还是因为信号质量不好，尝试切速的时候误码过多，无法recovery 成功，所以速率无法上去。

当然还有些是width 与预期不匹配，一般原因仍然是跟物理通路有关，可能某条通路不通或者信号质量太差，但是其他部分通路是通的，则有可能建链到与预期不匹配的带宽上。

枚举问题

枚举问题一般比较少。一般我理解的枚举问题就是，上面那个例子中，RP的DLActive+ 但是仍然看不到对接的EP设备，可以尝试用以下命令重新枚举设备。

echo 1 > /sys/bus/pci/rescan

注意老的Linux版本如果当前设备有其他PCI设备在正常运行，可能会受影响。如果不放心可以指定某个RP进行rescan如下命令

echo 1 > /sys/bus/pci/devices/0000\:00\:01.0/rescan

执行命令后如果能看到设备，那么很有可能就是EP启动较慢，导致在HOST BIOS建链枚举阶段并未真正枚举到。在OS启动阶段也就看不到对应设备了。但在HOST启动OS后又建链了，可能才会出现这种现象。

当然如果上面的命令做了以后还是无法看到设备，可能需要怀疑EP设备是否能正常工作了，因为这个枚举动作实际上也是逻辑在参与，如果枚举不到大概率还是EP芯片逻辑出问题了。

AER问题

AER (Advanced Error Reporting) 是PCIe设备的高级功能，PCIe设备如果出现问题可以通过这个机制上报给系统，然后系统来处理异常。

AER里面主要分为三种类型的故障，分别是：CE(Correctable Error), UE(Uncorrectable Error),UE中根据Severity寄存器又分为NFE(Non-Fatal Error), FE(Fatal Error)。一般来说CE 不会上报OS，PCIe设备自己处理，UE会上报OS。如果HOST为x86可能也不会管NEF，因为NFE的默认处理是断链，然后重新建链，但X86不只是热插拔，所以NEF要么不处理，要么不上报。FE的处理一般都是复位系统。

这里笔者列出较常见的故障有哪些，并说明一下出错原因。没有列出的，笔者暂时没有遇到过，还不太清楚问题出现原因，就不单独描述了。如果对这个AER有兴趣可以看PCIe协议。

Correctable Errors

• Receiver Error：可能是协商过程中出现误码，只要不影响功能可以不用关注
• Bad TLP Status：TLP 出现过错包，由于PCIe协议有重传机制，只要不一直出现，不会有大影响但如果持续出现会影响PCIe的通信效率。
• Bad DLLP Status：同上，只是改成了DLLP出现过错包。
• REPLAY_NUM Rollover Status：即错包过多，内部计数已经翻转，这个错误不常见，如果出现需要考虑物理通路上是否有太多误码而影响PCIe通信。

Uncorrectable Errors

• Data Link Protocol Error Status：链路异常，笔者从未遇到过，暂时不知产生原因，但这个是fatal，如果真的产生可能需要通过PCIe协议分析仪看看为什么会有这种故障。
• Surprise Down Error Status: 即链路突然断链，fatal故障，x86默认重启。AARCH64 可以支持热插拔的场景下，可以通过修改Slot Capabilities Register 中的Hot-Plug Surprise 位，热插拔的时候可以不再上报这个故障。该故障的原因也有很多，比如真正的热插拔，或者插槽松动引起的Linkdown，误码过多引起的Linkdown，还有软件配置了Link Control Register中的Link Disable导致的Linkdown等等都有可能。
• Poisoned TLP Received Status：TLP中毒可以理解为一个错误的TLP报文，根据TLP报文的类型会导致的异常是未知的，一般建议是芯片内部不处理该报文并丢弃，但这个设计整个芯片处理逻辑。产生原因目前仍然可能是因为链路原因或RAM的位跳变引起，该异常不太常见，该异常出现后可能伴随着其他故障出现如UC 或CPL Timeout等。
• Completion Timeout Status：即发送的请求对端没有及时相应导致超时。该现象比较常见，较大可能是因为CPL 超时时间配置不合理，导致对端的请求还没处理完成就超时了，还有可能是对端逻辑出现故障了无法返回导致超时。
• Unsupported Request Error Status& Completer Abort Status：UR和CA，UR就是对端发了一个我处理不了的请求，CA就是这个请求被终止了，一般来说出现这种异常可能有其他异常出现，需要结合TLP Header来进一步分析异常原因。截图如下，记录的是第一次异常出现的TLP Header。

• Unexpected Completion Status：即收到一个多余的completion 报文，对接收端没有多影响，但是需要排查发送端是否有其他异常引起多个completion报文。
• Malformed TLP Status：即畸形TLP，TLP出现问题，需要优先排查RP和EP的MPS和MRRS是否匹配，如果都匹配，再怀疑对端设备异常，也可能是链路出现故障。需要看对端设备是否有其他信息可以查看，否则该异常默认是Fatal故障，会导致整系统复位。

参考资料

1、NCB-PCI_Express_Base_4.0r1.0_September-27-2017

• 简介

AER 即 Advanced Error Reporting高级错误报告，是PCIe高级特性，用于报告PCIe 错误信息，是PCIe RAS特性最重要的部分，本文从PCIe AER协议、固件、linux内核实现讲述PCIe AER知识。

• AER 协议介绍

1. AER错误分类

分为可纠正错误和不可纠正错误 ， Correctable errors and Uncorrectable errors

不可纠正错误分为ERR_FATAL和ERR_NONFATAL。

Correctable Errors可纠正错误是指错误发生后，硬件可以自动恢复。

Uncorrectable errors错误发生后，影响设备功能，硬件不能自动恢复。

ERR_FATAL错误是致命错误，此错误类型影响了PCIe link链路。

ERR_NONFATAL错误是指影响了设备功能，但是PCIe link还是稳定的。

2. AER寄存器

包含了AER 状态、掩码、级别等寄存器。

3.错误控制上报路径

这里最终有两条路径： MSI/INTx中断上报给OS AER驱动程序，还有一个系统错误的中断上报给固件firmware。

• AER软件实现

PCIe AER驱动属于PCIe port driver， 其绑定的是PCIe root port。

drivers/pci/pcie/aer.c
static struct pcie_port_service_driver aerdriver = {
    .name       = "aer",
    .port_type  = PCIE_ANY_PORT,
    .service    = PCIE_PORT_SERVICE_AER,
 
    .probe      = aer_probe,
    .remove     = aer_remove,
};
 
/**
 * pcie_aer_init - register AER root service driver
 *
 * Invoked when AER root service driver is loaded.
 */
int __init pcie_aer_init(void)
{
    if (!pci_aer_available())
        return -ENXIO;
    return pcie_port_service_register(&aerdriver);
}

注：port_type = PCIE_ANY_PORT, AER绑定的不是ROOT PORT么，怎么是PCIE_ANY_PORT,这个澄清内核增加了PCIE RCEC支持，除了ROOT PORT针对RCEC设备也可以AER处理。

/**
 * aer_probe - initialize resources
 * @dev: pointer to the pcie_dev data structure
 *
 * Invoked when PCI Express bus loads AER service driver.
 */
static int aer_probe(struct pcie_device *dev)
{
    int status;
    struct aer_rpc *rpc;
    struct device *device = &dev->device;
    struct pci_dev *port = dev->port;
 
    /* Limit to Root Ports or Root Complex Event Collectors */
    if ((pci_pcie_type(port) != PCI_EXP_TYPE_RC_EC) &&
        (pci_pcie_type(port) != PCI_EXP_TYPE_ROOT_PORT))
        return -ENODEV;
...
}

PCIe AER错误上报流程。

EP设备发生AER错误，通过error msg上报到root port, root port上报中断给CPU处理。

PCIe Correctable Errors处理流程

1）、获取出错的设备和清状态

2）、读取设备详细错误信息。

Error Severity : Corrected
PCIE Bus Error type : Physical Layer
Receiver Error : Multiple
Receiver ID : 0020
VendorID=8086h, DeviceID=3597h, Bus=00h, Device=04h,
Function=00h

PCIe NON-FATAL Errors处理流程

1）、获取出错的设备和清状态

2）、读取设备详细错误信息。

3) 、错误恢复处理

Error Severity : Uncorrected (Non-Fatal)
PCIE Bus Error type : Transaction Layer
Completion Timeout : Multiple
Requester ID : 0018
VendorID=8086h, DeviceID=3596h, Bus=00h, Device=03h,
Function=00h

PCIe FATAL Errors处理流程

FATAL错误处理流程大体类似non-fatal，只是错误恢复的时候有差异，fatal错误影响pcie link链路，会做链路的恢复。

Error Severity : Uncorrected (Fatal)
PCIE Bus Error type : Transaction Layer
Unsupported Request : First
Requester ID : 0200
VendorID=8086h, DeviceID=0329h, Bus=02h, Device=00h,
Function=00h
TLB Header:
04000001 00180003 02040000 00020400

关键结构

设备支持AER错误恢复，需要设备驱动注册pci_error_handlers

struct pci_error_handlers
{
        int (*error_detected)(struct pci_dev *dev, pci_channel_state_t);
        int (*mmio_enabled)(struct pci_dev *dev);
        int (*slot_reset)(struct pci_dev *dev);
        void (*resume)(struct pci_dev *dev);
};
The possible channel states are:
 
typedef enum {
        pci_channel_io_normal,  /* I/O channel is in normal state */
        pci_channel_io_frozen,  /* I/O to channel is blocked */
        pci_channel_io_perm_failure, /* PCI card is dead */
} pci_channel_state_t;
Possible return values are:
 
enum pci_ers_result {
        PCI_ERS_RESULT_NONE,        /* no result/none/not supported in device driver */
        PCI_ERS_RESULT_CAN_RECOVER, /* Device driver can recover without slot reset */
        PCI_ERS_RESULT_NEED_RESET,  /* Device driver wants slot to be reset. */
        PCI_ERS_RESULT_DISCONNECT,  /* Device has completely failed, is unrecoverable */
        PCI_ERS_RESULT_RECOVERED,   /* Device driver is fully recovered and operational */
};

nvme驱动nvme_err_handler注册

drivers/nvme/host/pci.c

static const struct pci_error_handlers nvme_err_handler = {
    .error_detected = nvme_error_detected,
    .slot_reset = nvme_slot_reset,
    .resume     = nvme_error_resume,
    .reset_prepare  = nvme_reset_prepare,
    .reset_done = nvme_reset_done,
};
......
 
static struct pci_driver nvme_driver = {
    .name       = "nvme",
    .id_table   = nvme_id_table,
    .probe      = nvme_probe,
    .remove     = nvme_remove,
    .shutdown   = nvme_shutdown,
#ifdef CONFIG_PM_SLEEP
    .driver     = {  
        .pm = &nvme_dev_pm_ops,
    },   
#endif
    .sriov_configure = pci_sriov_configure_simple,
    .err_handler    = &nvme_err_handler,
};

• AER和firmware关系

1. AER错误可以先上报给firmware，叫做firmware-first机制。固件错误收集处理后再通过ACPI APEI接口上报给OS处理，用于服务器和PC场景。
2. 前面介绍AER上报还有机制MSI/INTx中断上报。 需要通过ACPI _OSC方法控制是固件接管还是OS接管.

• PCIe AER错误注入

PCIe AER硬件错误较难触发，如何调试AER软件处理的正确，提供了AER注错工具aer-inject

Linux AER Test Suite

• 小结

本文主要介绍下PCIe AER知识，从协议、linux内核软件实现原理、和固件关系，错误注入工具介绍，能够对PCIe AER知识有个系统性认识。