浅析MPS对PCIe系统性能和稳定性的影响

在pcie协议中，关于TLP数据传输过程，有两个比较重要的参数：

第一个: Max Payload Size, 简称MPS。这参数决定了TLP传输过程中大小。在接收端，需要使用同样的MPS大小，在发送端不能超过MPS的设置。在协议中可以设定128B-4KB，其中默认是128B。在Device Capabilities寄存器中可以查询MPS的大小。

第二个：Max Read Request Size，简称MRRS。MRRS代表最大读数据请求大小，对于MRRS选择，同样有6种：128B，256B，512B，1024B，2048B，4096B. 这个参数也是在Configuration阶段，写入到设备的control寄存器。MRRS可以比MPS大，比如MPS设置为256B，MRRS设置为4KB，通常MRRS大于等于MPS。

在MPS在PCIe整体性能中，有至关重要的作用。随着MPS大小的增加，PCIe传输效率也在不断的提升。不过，在x86的机器中，RC端的MPS通常是128B/256B。在ARM CPU中，为了追求高效性能，部分场景也会设置为512B。

在整个PCIe系统中，MPS的大小，跟RC、PCIe Switch、Endpoint都有相互的影响，最终TLP传输的数据大小取决与MPS最小的一个设备。比如下图示例，RC MPS=256B，PCIe Switch MPS=512B，但是EP3 MPS=128B。所以最终数据传输的大小采用的是MPS=128B。

除了MPS影响系统性能，还有一个更加重要的事情，MPS对系统稳定性也起着决定性的作用。最常见的是，在系统中我们会看到pcie设备出现识别异常的情况，多数情况会看到一个“ Malformed TLP”，比如linux系统中的报错信息：

[ +0.002792] pcieport 0000:00:01.0: AER: Uncorrected (Fatal) error received: id=0020
[ +0.007830] pcieport 0000:00:01.0: PCIe Bus Error: severity=Uncorrected (Fatal), type=Transaction Layer, id=0008(Receiver ID)
[ +0.011387] pcieport 0000:00:01.0: device [10de:10e5] error status/mask=00040000/00000000
[ +0.008415] pcieport 0000:00:01.0: [18] Malformed TLP (First)
[ +0.006851] pcieport 0000:00:01.0: TLP Header: 20000080 010001ff 00000000 80004430

在PCIe spec中的Error Status Register的定义如下图：

上面linux报错信息中的error status=0x00040000，也即对应Error Status Register中的bit18被置位。

Linux系统中通过lspci和setpci可以查询和修改MPS/MRRS参数。

比如：lspci查看设备DevCap寄存器中MPS=512B，最终传输用的MPS=256B，MRRS=4KB。

lspci -s 04:00.0 -vvv | grep DevCtl: -C 2
DevCap: MaxPayload 512 bytes, PhantFunc 0, Latency L0s unlimited, L1 unlimited
ExtTag+ AttnBtn- AttnInd- PwrInd- RBE+ FLReset+
DevCtl: Report errors: Correctable- Non-Fatal+ Fatal+ Unsupported-
RlxdOrd+ ExtTag+ PhantFunc- AuxPwr- NoSnoop+ FLReset-
MaxPayload 256 bytes, MaxReadReq 4096 bytes

如果需要修改MPS或者MRRS，需要先找到Device Control Register中MPS和MRRS的位置，如PCIe Spec定义，MPS在bit5-7，MRRS在bit12-14. 同时Device Control Register的offset是0x8h。

比如小编环境中，PCIe Capacity的位置在0x70. 结合Device Control Register的offset是0x8h，我们就可以整体看到MPS和MRRS修改的PCIe配置空间的位置是在0x78h。注意，这个不同的机器和pcie设备中，PCIe Capacity的位置可能有所不同，有些在0x70，也有在0x60的，这个在修改参数的数据一定要关注下自己机器的位置。

用setpci修改MRRS：下面修改的命令，预期结果：把Device Control Register中的bit12-bit14从原始的101b修改成了010b，也就是把MRRS从4KB修改成了512B。

# setpci -s 04:00.0 78.w

5936

#setpci -s 04:00.0 68.w=2936

这个时候在用lspci查看确认，发现MRRS已经修改成了512B。符合预期，说明修改MRRS修改成功了。MPS的修改方式也跟MRRS修改方式类似，这里就不赘述了。

# lspci -s 04:00.0 -vvv | grep MaxReadReq

MaxPayload 256 bytes, MaxReadReq512bytes

此外，在Windows如果需要修改pci配置空间信息，也可以在按照windows版本的pci工具，使用方式类似，这里就不展开了。感兴趣的同学可以自行尝试哈！

在linux内核中，MPS/MRRS这两个参数，同样会受到内核pcie_bus_config_types的影响。以linux 5.19内核源码为例，pcie_bus_config_types定义有5种：

• PCIE_BUS_TUNE_OFF：不对MPS做任何操作
• PCIE_BUS_DEFAULT：保证pcie设备可以满足upstream的要求。
• PCIE_BUS_SAFE：将MPS设置为设备最大支持的值，这里也要参考水桶原理，最终采用最小MPS的EP设置。
• PCIE_BUS_PERFORMANCE：将EP pcie设备的MPS设置为RC允许的最大值，同时MRRS也设置为最大值。
• PCIE_BUS_PEER2PEER：相对比较简单，就是一个标准，把所有的RC/Pcie switch/EP的MPS都设置为128B，不偏不倚。

enum pcie_bus_config_types {
PCIE_BUS_TUNE_OFF, /* Don't touch MPS at all */
PCIE_BUS_DEFAULT, /* Ensure MPS matches upstream bridge */
PCIE_BUS_SAFE, /* Use largest MPS boot-time devices support */
PCIE_BUS_PERFORMANCE, /* Use MPS and MRRS for best performance */
PCIE_BUS_PEER2PEER, /* Set MPS = 128 for all devices */
};

在linux中通过pcie_bus_configure_settings执行配置。在性能调优过程中，一般会选择在linux启动命令行中添加命令行参数pci=PCIE_BUS_PERFORMANCE。如果没有配置的话，会选择默认设置PCIE_BUS_TUNE_OFF。

在调用pcie_bus_configure_set函数时，如果pcie_bus_config == PCIE_BUS_TUNE_OFF || pcie_bus_config == PCIE_BUS_DEFAULT，函数会直接返回return 0; 在其他模式下，会主动调用pcie_write_mps和pcie_write_mrrs修改MPS和MRRS。

通过pcie_write_mps函数修改MPS参数大小，这个函数只有在PCIE_BUS_PERFORMANCE模式下才会修改，其他模式就会直接使用默认MPS设置。

通过pcie_write_mrrs函数修改MRRS参数大小，这个函数只有在PCIE_BUS_PERFORMANCE模式下才会生效，其他模式就会直接return返回。

此外，还可以在驱动里面单独通过pcie_set_readrq 函数调整MRRS参数，以达到提升性能的目的。