数据链路层（DLL，Data Link Layer）的主要作用是进行链路管理（Link Management）、TLP错误校验、Flow Control（流控制）和Link功耗管理。不仅可以接收发送来自事务层的TLP，还可以直接向另一个相邻的数据链路层直接发送DLLP，比如Flow Control和Ack/Nak的DLLP。
数据链路层还可以进行数据备份，即Ack/Nack机制，发送方会在对发送方会对每一个TLP在Replay Buffer中做备份，直到其接收到来自接收方的Ack DLLP，确认该DLP已经成功的被接受，才会删除这个备份。如果接收方发现TLP存在错误，则会向发送发发送Nak DLLP，然后发送方会从Replay Buffer中取出数据，重新发送该TLP。
PCIe物理层
在PCIe spec（标准）中，物理层被分为两个部分单独介绍，分别为物理层逻辑子层和电气子层，无论是事务层还是数据链路层的Packet都会被临时放入物理层的buffer中，并加上起始、结束字符（Start&End），起始字符有时也被称为帧字符（这里所说的TLP和DLLP指的是包的原始发送者发的包，即TLP表示这个包的原始发送者为事务层，而DLLP则为数据链路层。但是TLP仍然会被数据链路层转发，并添加Sequence和LCRC）。
物理层完成的一个重要的功能就是8b/10b编码和解码（Gen1 & Gen2），Gen3及之后的PCIe则采用了128b/130b的编码和解码机制。
物理层的电气子层主要实现了差分收发对
PCIe物理层处理可以转发TLP和DLLP之外，还可以直接发送命令集（Ordered Sets）。之所以称其为命令集，是因为它并不是真正意义上的包（Packet），因为物理层不会为其添加起始字符（Start & End Characters）。并且命令集始于发送端的物理层，结束语接收端的物理层。虽然命令集没有起始字符，但是对于Gen1&Gen2版本的PCIe物理层来说，会为其添加一个叫做COM的字符作为开始字符，随后跟着三个或者更多的信息字符。