【PCIE体系结构十七】PCIE电源管理之PCI-PM

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

 

目录

设备PM状态

1.D0状态

2.D1和D2状态

3.D3状态

D状态迁移

设备唤醒

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        PCIe总线与PCI总线使用的PCI-PM管理机制兼容。在PCIe设备的扩展配置空间中定义了Power Management Capabilities结构，该结构中含有一系列寄存器，系统软件通过修改PMCSR寄存器的Power State字段，可以使PCIe设备进入不同的节能状态D-State，如D0、D1、D2和D3状态。其中DO是正常工作状态，功耗最高，而D1、D2和D3为低功耗状态。其中D1的休眠等级最低，功耗相对较高，而D3的休眠等级最高，功耗相对较低。D-State的状态转换关系如下图：

 

设备PM状态

1.D0状态

        PCIe设备必须支持D0状态，该状态由D0uninitializated和D0active两个子状态组成。当PCIe设备处于D0uninitializated状态时，该PCIe设备并没有被系统软件使能，此时该PCIe设备仅能接收配置读写请求TLP，不能主动发出其他TLP。此时该PCIe设备配置寄存器的Command寄存器为复位值0x00。此时虽然PCIe设备已经被加电，但是并不能正常使用。当PCIe设备处于D0active状态时，PCIe设备处于正常工作模式，并没有任何节电措施。但是PCIe设备仍然可以使用ASPM机制，将链路状态迁移到L0s或者L1状态，以降低功耗。值得注意的是，ASPM机制与PCI PM机制是独立的。当PCIe设备进行复位后，该设备将首先进入D0uninitializated状态。系统软件通过修改PMC-SR寄存器的Power State字段，也可以使设备从D3hot状态迁移到该状态。值得注意的是D3cold状态迁移到该状态的过程与复位操作等效。当系统软件改写Command寄存器的状态位使能PCIe 设备后，该设备从D0uninitializated迁移到D0active状态。

2.D1和D2状态

        D1和D2状态分别为PCle设备的轻度和重度休眠状态。这两个状态为PCIe设备的可选状态，PCIe设备处于D1状态时的功耗高于D2状态。PCle设备处于这两个状态时，除了PME消息之外，不能主动发送其他TLP；除了接收配置请求TLP外，不能接收其他TLP。当PCIe设备处于这两种状态时，可以向RC发送PME消息，通知系统软件该PCIe设备进入休眠状态。当PCIe设备进入D1或者D2状态时，PCIe链路将进入L1状态。PCIe设备可以从D1和D2状态直接返回到D0active状态。

3.D3状态

        PCIe设备必须支持D3状态，D3状态由D3hot和D3cold两个子状态组成。PCIe设备处于D3hot状态与处于D1/D2状态时的功能类似，只是PCIe设备只能从D3hot状态返回D0uninitializated状态，而不能返回D0active状态。对于PCIe设备，从D3hot状态返回D0uninitializated状态的过程相当于热复位。

        当PCle设备的Vcc电源被移除时，PCIe设备无论处于何种状态，都将进入D3cold状态。值得注意的是一个PCIe设备使用两种电源Vcc。和Vaux，Vcc电源被移除并不意味着PCIe设备被完全下电。

        有些PCIe设备在处于D3cold状态时仍然可以发出PME消息，此时这个PCIe设备负责发发送PME消息的功能模块必须使用Vaux而不是Vcc进行供电。

D状态迁移

        PCIe设备可以进行D-State的状态迁移。大多数D-State的状态迁移都是系统软件通过修改PMCSR寄存器的Power State字段实现的，但是仍然有些状态迁移采用了其他方式，比如：

1、使能Command寄存器的命令位，可以使设备从D0uninitializated状态迁移到D0active状态。

2、PCIe设备的Vcc被移除时，D3hot状态将迁移到D3cold状态。

3、当PCIe被唤醒，Vcc重新上电之后，PCIe设备将从D3cold状态迁移到D0uninitializated状态。

具体的状态迁移关系如下图：

        当PCIe设备进行D-State状态迁移时，PCIe链路的状态也可能随之变化。PCIe设备的D-State 状态与PCIe 链路状态的对应关系如下表：

        如下是系统软件修改PMCSR寄存器的Power State字段，将PCIe设备从D0迁移到D1状态的过程举例：

        1、上游设备向下游设备发送配置写请求TLP，改变下游设备PMCSR寄存器的Power State字段，从而使下游设备从D0状态迁移到D1状态。

        2、下游设备收到这个配置写请求TLP后，将改变PMCSR寄存器的Power State字段，并向上游设备发送配置写完成TLP。这个配置写完成TLP首先需要经过数据链路层，并从对端获得足够的发送Credit（这个是流控中的概念，后面再学习）后，将这个配置写完成TLP通过数据链路层发送到对端。

        3、下游设备的事务层收到数据链路层的确认后，得知配置写完成TLP已经被上游设备正确接收后（即ACK/NAK协议，下游设备收到了上游设备发过来的ACK DLLP），将挂起下游设备的事务层。并向上游设备连续发送PM_Enter_Ll DLLP（数据链路层的电源管理DLLP报文），同时等待来自上游设备的PM_Request_Ack报文。

        4、上游设备收到下游设备的PM_Enter_L1 DLLP后，首先禁止发送新的TLP，并等待之前发送的Non-Post TLP得到确认后，挂起上游设备的事务层，并向下游设备连续发送PM_Request_Ack DLLP。

        5、下游设备在没有收到上游设备的PM_Request_Ack DLLP之前，虽然事务层已经被挂起，但是数据链路层和物理层仍然可以正常工作，此时数据链路层可以正确接收来自上游端口的DLLP，并发送ACK/NAK和流量控制相关的一些DLLP。

        6、当下游设备收到PM_Request_Ack DLLP后,将停止发送PM_Enter_L1 DLLP,挂起数据链路层，然后将物理层置为Electrical Idle状态。

        7、上游设备发现其接收链路处于Electrical Idle状态时，将停止发送PM_Request_Ack DLLP，并挂起数据链路层，然后将物理层置为Electrical Idle状态。此时PCIe链路将进入L1状态。

        当PCIe链路处于L1状态时，如果系统软件需要改变下游PCIe设备PMCSR寄存器的Power State字段，PCle链路需要首先从L1状态迁移到正常工作状态L0，下游设备才能接收这个配置写请求TLP。

        PCIe设备其他D-State状态的迁移过程与此大同小异，大家自行查阅PCIe总线规范，这里不再赘述。

设备唤醒

        在前面的D状态迁移表里我们可以看到，D3cold的进出涉及到Vcc电源的移除和重新上电，其他D状态的迁移都可以通过设备发出唤醒请求，然后PM软件写PMCSR寄存器来操作。写寄存器迁移状态好理解，软件操作即可，假设是Vcc掉电了，进入了D3cold状态，这个时候显然不能直接写寄存器了，那PCIE设备要是有唤醒请求了，它要怎么通知主机来给它重新上电、重新进行链路训练并迁移D状态呢？

        PCIExpress设备不使用PCI所定义的PME#边带信号，而是使用带内PME消息来通知PM软件有关将设备返回到满电状态（D0）的请求。在所有低功耗状态内，对生成PME消息能力的支持是可选的。设备会报告其所支持的PM状态，并且从这些状态内可以发送PME消息。需要注意的是，仅在链路电源状态转换到L0时才可传递PME消息（PME消息实际上是message TLP报文）。

        如果链路处于非L0状态，则需要通过其他的方式先来唤醒链路。PCIe Spec定义了两种方式：

        1、Beacon，一种低速的带内信标信号，在前面提到过，该信号只需要AUX电源供电即可；

        2、WAKE#，一种边带信号（低电平有效），该信号同样只需要AUX电源供电即可。

        无论使用哪种方法，必须通知PM软件，使其可以重新施加主电源并重新启动参考时钟。之后就会生成基本复位，强制设备进入D0未初始化状态。一旦链路转换到L0状态，设备就可以发送PME消息。

        可以发送PME消息之后，将按如下流程进行唤醒的后续操作：

        1、当前PCIe设备将PME消息发送至其上一级端口（Upstream Port）；

        2、该PME消息通过模糊寻址的方式，通过Switch（如果有的话），最后达到Root；

        3、Root接收到了PME消息后，将其内容转发给PM控制器（Power Management Controller）；

        4、该控制器通知PM软件，产生一个中断告知系统。软件利用PME消息中的Requester ID来发起配置空间读写操作，并使得对应的PCIe设备返回至D0状态（或者其他状态）。在这个过程中，PCIe驱动可能需要暂时备份该设备的PCIe配置空间的寄存器值；

        5、软件恢复该PCIe设备的相关信息（配置空间寄存器等）。

        有几点需要注意的是：

        1、PME消息只能采用模糊寻址（Implicitly）方式；

        2、PME消息的TC和VC只能是0，即不支持QoS；

        3、PME消息是一种Message，因此其是Posted的，即不需要Completion与之对应；

        4、PME消息不支持Relaxed Ordering，且总是强制当前器件与Root之间的链路上的所有PCIe设备中的所有其他的事务层包（TLP）在PME消息之前发送。

        PME消息报文结构如下： 

        PCIE的电源管理部分就介绍到这里。