PCIe学习（七）

5 电源管理

PCIe的电源管理是一个系统性的话题。我们今天来一探究竟。

5.1 链路状态电源管理

首先就要先来提一提ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)。ACPI旨在为操作系统和应用程序提供所有芯片电源管理的接口。

ACPI定义了系统电源管理状态：

Ø G0/S0：工作状态。系统处于火力全开的工作状态。

Ø G1：睡眠状态。此状态下系统功耗较小，返回工作状态的时间取决于下面几个子状态

² S1：高速缓存被清空，CPU挂起

² S2：与S1类似，但是CPU电源被关断

² S3：也称为“挂起到RAM（Suspend to RAM）”或者“待机（Standby）”，系统上下文被保存到内存

² S4：也称为“挂起到硬盘（Suspend to Disk）”或者“休眠（Hibernate）”，系统上下文被保存到硬盘

Ø G2/S5：软件关机。此状态下系统功耗最小，系统当前状态信息不被保留，需要完全重新启动才能返回工作状态。绝大部分硬件设备处于断电状态，少数硬件有一些电源可用于唤醒，例如按下系统上的电源按钮。

ØG3：机械关机。系统的电源被完全切断。

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ACPI也定了设备电源状态：

Ø D0：设备的全部供电打开，处于完全运行的状态。

Ø D1：低功耗状态（比D0低），设备上下文可能会丢失，也可能不会丢失。

Ø D2：比D1更低的功耗状态，但会导致更长的恢复延迟，并可能导致设备丢失上下文。

Ø D3：设备已做好断电准备，设备的上下文都可能丢失。恢复时间将比D2更长，但在这种状态下可以正常断开设备电源。

其中D1和D2不是强制性的，设备可以根据具体情况选择是否实现这两个状态。

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再来看看PCIe协议做了哪些定义。

首先，PCIe协议中定义了链路电源管理状态：

Ø L0：所有PCIe事务和操作都启用

Ø L0s：Standby模式，恢复延迟低，功耗低

Ø L1：可以分为几个子状态L1.0，L1.1和L1.2

Ø L2/L3 Ready：L2或L3的临时状态，L2/L3 Ready是一种伪状态（pseudo-state）

Ø L2：辅助供电链路状态

Ø L3：链路关闭状态

Ø LDn：L0之前的过渡链路断开伪状态

下图是PCIe链路电源管理状态转换图。需要注意的是，L0s，L1，L2，L3这些状态之间没有直接转换的关系，千万不要想当然的认为存在L0->L1->L2->L3这种顺序关系。理解下面这张图是理解PCIe链路电源状态的关键。

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然后，PCIe协议中定义了设备状态：

Ø D0：这是PCIe设备必须支持的状态，包含两个子状态

² D0uninitialized：Function完成基本复位后，进入此状态。通常，寄存器在此状态下恢复为默认值。此时，Function只能响应配置请求，不能发起事务，也不能处理接收到的Memory或者IO事务。

² D0active：当Function被系统软件正确配置后，进入此状态

Ø D1：也称为轻度睡眠状态（Light Sleep），该状态是可选的，设备不是必须支持。当Function进入D1状态时，链路进入L1状态。此时设备只可以接收配置请求和消息请求

Ø D2：也称为深度睡眠状态（Deep Sleep），该状态是可选的，设备不是必须支持。在进入此状态前，软件需要确保所有的Non-Posted请求都得到了Completion。设备进入D2状态后，对应的链路进入L1状态。此时设备只可以接收配置请求和消息请求

Ø D3：又称为全关（Full-Off）状态。D3状态是设备必须支持的状态，包含两个子状态

Ø D3hot：当设备进入D3hot状态，表明该设备的电源尚未切断，链路进入L1状态

Ø D3cold：当设备进入D3cold状态，则表明设备的电源已被切断，如有Vaux存在，则链路进入L2状态，否则进入L3状态

PCIe的设备电源状态是与ACPI设备电源状态对应的，而且在D0和D3设备状态中又细分了子状态。

PCIe链路电源状态与设备电源状态的对应关系见下图：

总结一下，上游组件的设备电源状态不能比下游组件更激进，比如不允许RC先于EP进入低功耗状态；链路两端设备的电源状态不能比链路电源状态更激进，比如不允许设备进入睡眠状态，而链路处于工作状态。

Function的电源状态转换图如下：

系统软件可以通过配置Function的PMCSR寄存器来设置Function的电源状态。

电源管理能力结构

上图中提到的PMCSR寄存器位于电源管理能力结构（Capability Structure）中。

Power Management Capability ID寄存器

PCIe协议为电源管理能力分配的ID是01h。

Power Management Capability寄存器

该寄存器位于Capability Structure Header的高16-bit。

各字段含义：

Ø PME Clock：不适用于PCIe

Ø Immediate_Readiness_on_Return_to_D0：1b表示该Function可以在被设置为D0之后立即准备好成功完成有效访问

Ø Device Specific Initialization：指示是否需要对该Function进行特殊初始化。

Ø Aux_Current：报告Function的Vaux辅助电流要求，编码如下表

Ø D1_Support：Function是否支持D1状态

Ø D2_Support：Function是否支持D2状态

Ø PME_Support：指示Function可以生成PME或转发PME消息的电源状态，编码如下表：

Power Management Control/Status寄存器

各字段含义：

Ø PowerState：既用于确定Function的当前电源状态，又用于将Function设置为新的电源状态，编码如下：

Ø No_Soft_Reset：指示在写入PowerState字段以将Function从D3Hot转换为D0之后Function的状态。

Ø PME_En：该位被设置，表示允许Function产生PME

Ø Data_Select：由于选择要通过Data寄存器和Data_Scale字段报告的数据。

Ø Data_Scale：指示在解释Data寄存器的值时要使用的缩放因子

Ø PME_Status：当Function可以正常产生PME时，设置此位

Ø Undefined：在之前版本用到，Gen 5中不用

Data寄存器

Data寄存器是可选的8-bit只读寄存器，为电源管理能力提供了一种机制，来报告与状态相关的功耗。如果实现Data寄存器，则PMCS寄存器中的Data_Select和Data_Scale字段也要实现，具体的配合关系参见PCIe基本协议。

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【待续】