【PCIE体系结构十六】PCIE电源管理之ASPM

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参考书籍：《PCI.EXPRESS系统体系结构标准教材 Mindshare》     

        PCIe总线的电源管理包含ASPM和软件电源管理两方面内容。所谓ASPM是指PCIe链路在没有系统软件参与的情况下，由PCIe链路自发进行的电源管理方式。而软件电源管理指PCI PM机制，PCIe总线的软件电源管理与PCI总线兼容。本章节讲述ASPM，下章节再讲PCI-PM。

        ASPM全称为Active State Power Management for the Link，是一个基于硬件的，自发的链路功耗状态管理单元，软件不能控制具体的过程只能enable/disable。讲LTSSM时我们提到了状态机中有几个和电源管理相关的状态，这里再详细列举一下：

        L0状态：PCIe设备的正常工作状态。

        L0s状态：PCIe设备处于低功耗状态。系统软件不能控制L0状态和L0s状态间的迁

移过程，这两个状态的迁移只能由ASPM控制。

        L1状态：PCIe设备使用的功耗低于处于L0s状态时的功耗。支持两种方式进入PCI-PM，ASPM。L1子状态可以关闭参考时钟、Tx common mode电路，Rx electric idle detect电路更加省电。

        L2/L3 Ready状态：PCI设备进入L2或者L3状态之前使用的过渡状态。

        L2状态：仅支持PCI-PM方式进入，关闭参考时钟、关闭PLL、关闭Main Power, 但是需要保留Aux Power;。在PCIe总线中L1和L2状态是可选的。

        L3状态：该状态也被称为“Link off”状态，此时PCIe设备使用的所有电源被关闭。仅支持PCI-PM方式。

        LDn状态：该状态是一个“伪”状态，PCIe链路处于L2、L3状态时，需要通过LDn状态之后才能进入L0状态。该状态由LTSSM状态机的Detect、Polling和Configuration等状态组成。

        各状态间的迁移如下图：

在PCIe设备中，Link Capabilities寄存器的ASPM Support字段表示当前PCIe设备可以支持的链路状态，该字段只读。而Link Control寄存器的ASPM Control字段为可读写的，PCIe设备根据ASPM Support字段判断当前PCIe链路是否支持L0s和L1状态，还是同时支持这两种状态，并设置ASPM Control字段。如下从PCIE 4.0规范的截图，大家可以到规范里具体查询：

       前面讲LTSSM时提到过几种电源管理状态之间的转换，总结起来就几个原则：

       1、如果PCIe设备发现链路“空闲”时，可以硬件自主从L0进入L0s状态。这里的“空闲”指的是没有要发送的TLP和DLLP。注意发送逻辑和接收逻辑可以一个处于L0，一个处于L0s，不要求同步转换状态。例如当一个EP进行DMA写操作时，其发送逻辑TX一直被使用，因此处于L0状态，而接收逻辑RX可能长时间没有被使用，从而可以暂时处于L0s状态，以降低功耗。

       2、PCIe设备可以通过上层软件，将链路状态从L0状态迁移到L1或者L2状态。当PCIe设备进入D1～D3状态时，其上游链路将进入L1状态；而进入D3cold状态时，其上游链路将进入L2状态。D1~D3和D3cold状态的详细说明后面讲PCIE的软件电源管理时会讲。而PCIe链路的两端设备需要同时进入L1或者L2状态。

       3、从L1恢复到L0时，是从L1先到recovery，再到配置，再到L0，而从L2恢复到L0，需要重新走一遍检测、轮询、配置流程，所以L2恢复到L0时间更长。L2状态可以通过Beacon（由AUX电源所驱动的一种信令技术，由一组通过D+和D-信号生成的脉冲信号组成。这些脉冲信号宽度的最小值为2ns，最大值为16us）机制唤醒。有同学有疑问了，不是用PME进行唤醒吗？这里要注意，要使用PME报文，必须要先将链路恢复到可以传输报文的L0状态，所以在L2状态就不能用这种方式了，只能通过带内硬件信标或者带外的WAKE信号进行唤醒。