PCIe协议之低功耗篇之 理论深度学习（二）
本章节，主要围绕PCIe base spec 6.0 的S5.4章节内容，进行深度学习和讲解。
一 背景介绍
1.1 名词解释
首先了解一个名词： Native PCI Express Power Management Mechanisms
这个名词可以拆解为两部分来理解：
Native PCI Express：这指的是 PCI-SIG 组织为 PCIe 总线标准原生定义、内置的机制。它不是依赖操作系统或特定驱动程序实现的，而是硬件链路本身固有的能力。
Power Management Mechanisms：即电源管理机制。
合起来，它的完整意思是：由 PCIe 总线规范原生定义的、硬件实现的、用于动态管理链路电源状态以实现节能的一套完整机制。
其主要目标是在不影响系统响应能力的前提下，根据设备的数据传输需求，动态地调整PCIe链路和设备的功耗状态，从而在空闲时最大限度地节约能源。
1.2 实现方式
Native PCIe 电源管理主要包含两大并行的机制：
1.2.1. 基于软件的电源管理 - ASPM
ASPM 是一种硬件自动管理的链路级节能技术，它不需要操作系统或驱动程序的直接干预。
工作原理：当链路两端的设备（例如根复合体和端点设备）都处于空闲状态一段时间后，链路硬件会自动协商，进入低功耗状态（如 L0s, L1）。
特点：
透明性：对软件和驱动程序是透明的，它们无需知道链路状态的变化。
快速响应：状态切换延迟非常小（尤其是L0s状态，通常在微秒级），对性能影响极小。
主动性：由链路物理层主动发起和管理。
1.2.2. 基于操作系统的电源管理 - OSPM
OSPM 机制依赖于操作系统的电源管理策略来管理设备功耗。
工作原理：操作系统（如 Windows, Linux）根据全局电源策略、设备驱动程序的报告以及用户活动，通过 PCIe 配置空间中的 PCI Power Management (PCI-PM) 寄存器，向设备发出指令，要求其切换到特定的电源状态（如 D0, D1, D2, D3hot, D3cold）。
特点：
软件控制：由操作系统全局调度和控制。
状态更深：可以控制设备进入非常深的休眠状态（如D3），节能效果更显著，但退出延迟也更大。
需要驱动支持：设备驱动程序需要配合操作系统完成状态切换。
具体对比如下：
| 机制 | 管理级别 | 控制者 | 主要状态 | 延迟 | 节能效果 |
|---|---|---|---|---|---|
| ASPM | 链路物理层 | 硬件自动 | L0s, L1, L1.x | us~几十us级别 | 中等 |
| OSPM | 设备功能级 | 操作系统 | D0, D1, D2, D3 | ms~s 级别 | 高 |
协同工作示例：
当一个PCIe网卡短时间内没有数据传输时，ASPM 机制会迅速将链路从 L0 切换到 L0s 或 L1 状态以节省功耗。
如果用户长时间不使用电脑，系统进入空闲，OSPM 会介入，命令网卡进入 D3 状态，这时设备大部分功能关闭，功耗降至极低。同时，ASPM 也可能将链路置于更深的 L1.2 状态。
二 Active State Power Management (ASPM)
2.1 区分几个名词
upstream component : RC
downstream component :EP
upstream link : RC
downstream link :EP
upstream port : EP
downstream port : RC
upstream lanes : RC
downstream lanes : EP
2.2 ASPM 总体介绍
所有未与内部根复合体链路或系统出口端口相关联的端口，都必须支持本文定义的活跃状态电源管理最低要求。从最低要求的角度来看，必须将此功能视为独立于PCI-PM软件兼容特性。例如，根复合体可豁免PCI-PM软件兼容特性要求，但必须实现ASPM的最低要求。
处于D0状态（即完全活动状态）的组件，通常将其上游链路DSP保持在活跃的L0状态，如第5.3.2节所定义。ASPM定义了一种协议，允许D0状态下的组件通过将其链路置于低功耗状态，并指示链路对端执行相同操作，从而降低链路功耗。该能力可实现硬件自主的动态链路功耗降低，其效果远超纯软件控制（即PCI-PM软件驱动）的电源管理所能达到的水平。
在非Flit模式下，ASPM定义了两个低功耗"待机"链路状态：L0s和L1。
在Flit模式下，L0p实际上取代了L0s，而L1仍作为ASPM的"待机"链路状态。
L0s低功耗链路状态针对快速进入和退出延迟进行了优化，同时能实现显著的节能效果。若设备启用了L0s状态，建议在该链路未被使用时立即将其发送链路转入L0s状态（有关L0s调用策略的详细信息，请参阅第5.4.1.1.1节）。除非链路的适用外形规格规范明确要求，否则在D0设备状态下对L0s链路状态的组件支持是可选的。
L0p低功耗链路状态针对短进入延迟和长退出延迟进行了优化，在提供显著节能效果的同时，还支持在链路宽度变更过程中维持链路操作。
L1链路状态则以实现最大功耗节省为目标，其代价是更长的进入与退出延迟。当系统要求极低功耗且可接受较长状态转换时间时，L1能提供比L0s状态更进一步的链路功耗降低。除非特定外形规格明确要求，否则对L1链路状态的ASPM支持是可选的。
此外还定义了可选的L1电源管理子状态L1.1和L1.2。这些子状态适用于需要极低空闲功耗且可接受更长转换时间的场景，能进一步降低链路功耗。
每个组件必须通过ASPM支持字段报告其对ASPM的支持级别。如适用，每个组件还应报告其L0s和L1退出延迟（即从L0s或L1状态转换到L0状态所需的时间）。端点功能还必须报告其可承受的最坏情况延迟阈值，例如避免因从L0s或L1状态转换到L0状态而产生的延迟导致内部FIFO溢出等风险。电源管理软件可利用所提供的这些信息来启用相应级别的ASPM。
L1退出延迟同样适用于L0p状态，但当用于L0p时，该延迟表示拓宽链路宽度所需的时间。链路在此期间仍保持可操作状态，但带宽较低。
本规范的未来草案可能会定义一种机制，用于报告端点在L0p降低带宽状态下可承受的最坏情况延迟。该机制可能涉及多个延迟要求值，具体数值取决于链路的起始与结束宽度。电源管理软件可利用此信息，为ASPM启用适当的L0p链路宽度。
若链路的对端组件使用同源参考时钟，或各自采用独立时钟源时，L0s退出延迟可能存在显著差异。PCI Express-PM软件通过其能力结构链路控制寄存器中的"同源时钟配置"位，向每个设备通知其时钟配置。该位将作为设备上报L0s退出延迟值的决定性依据。
ASPM功能默认的启用或禁用状态取决于具体实现准则和/或相关外形规格规范的要求。软件可根据第5.4.1.4.1节所述流程启用或禁用ASPM。
电源管理软件通过编程ASPM控制字段，来启用或禁用组件中各端口的ASPM功能。需要注意的是，新的BIOS代码在传统操作系统下可有效控制ASPM功能的启用或禁用，但支持PCI Express的操作系统可选择覆盖BIOS配置的ASPM设置。
2.3 ASPM之 L0s
Flit Mode does not support L0s.
Retimers do not support L0s.
L0s退出延迟主要取决于接收端快速实现位同步与符号锁定的能力。现有高频时钟解决方案采用的不同技术路径，可能导致其L0s退出延迟存在显著差异，进而影响ASPM的能效表现。为通过ASPM实现最优节能效果，应通过合理选择时钟方案来保持较低的L0s退出延迟。
2.3.1 进入ASPM的L0s
2.3.1.1 特别说明
链路两端的L0s状态进入机制，是独立管理。链路两端的每个设备均有责任在其发送通道上发起L0s状态进入流程。软件不得在链路任一端组件不支持L0s的情况下启用该链路的任意方向L0s功能，否则将导致未定义行为。
根据 PCIe 规范，要启用并进入 L0s 状态，链路两端的组件都必须支持 L0s。
被禁用L0s状态的端口绝不能将其发送通道转换至L0s状态。然而，若端口宣告支持L0s，则必须确保其接收通道能够耐受以下操作：因对端设备将其发送通道置入L0s状态而导致本端接收通道进入L0s，随后又能返回L0状态。
2.3.1.2 L0s调用策略
已启用L0s入口功能的端口，若在建议不超过7微秒的时间段内持续满足下述空闲条件，则通常应将其发送通道转换至L0s状态。在此时间范围内，端口用于判定何时进入L0s的具体策略由实现方案自行定义。发送器始终不具备必须进入L0s的强制性义务。
空闲状态的定义
多功能设备function的上行端口USP, 仅当其所有功能均处于空闲状态时，才被视为空闲。
非交换器端口在满足以下条件时被判定为空闲：
• 无待传输TLP通过该链路，或无可用流控信用用于传输任何TLP
• 无待传输DLLP交换器上行端口功能在满足以下条件时被判定为空闲：
• 该交换器所有下行端口的接收通道均不处于L0、Recovery或Configuration状态
• 无待传输TLP，或无可用流控信用用于传输任何数据
• 无待传输DLLP交换器下行端口在满足以下条件时被判定为空闲：
• 该交换器上行端口的接收通道不处于L0、Recovery或Configuration状态
• 无通过该链路传输的待处理TLP，或无可用流控信用
• 无待传输DLLP
有关物理层进入L0s状态的详细信息，请参阅第4.2节。
信用并不是单一的，而是根据TLP的类型进行划分的，主要分为：
| 信用类型 | 对应的TLP类型 | 作用 |
|---|---|---|
| Posted Credit | Posted TLP（如Memory Write） | 发送这种TLP不需要对方的响应，消耗Posted信用。 |
| Non-Posted Credit | Non-Posted TLP（如Memory Read） | 发送这种TLP后，对方必须返回一个Completion TLP，消耗Non-Posted信用。 |
| Completion Credit | Completion TLP（如Read Completion） | 用于返回读请求的数据，消耗Completion信用。 |
2.3.2 退出ASPM的L0s
处于L0s状态的发送器必须在有待传输TLP或DLLP时立即启动L0s退出流程。需注意，从L0s链路状态转换的启动不依赖于流控信用的状态（或可用性）。链路必须能够恢复到L0状态，并实现跨链路的流控信用交换。例如，若链路进入L0s状态时某类信用已全部耗尽，当需要发送新信用时，链路任一端组件仍必须能够将链路转换至L0状态。值得注意的是，组件可适时预判空闲状态结束并启动L0s发送端退出，例如在接收到非转发请求时。
2.3.2.1 DSP 发起退出
Downstream Initiated Exit ， 这里的 Downstream 指的是 USP port .
组件的上行端口若需通过链路进行通信，则允许在其发送链路上（对于下游交换机而言即上行端口发送通道）启动L0s低功耗状态退出流程。该组件将按照第4.2节所述，启动上行方向通道向L0状态的转换。
若上游组件为交换机（即非根复合体），则一旦检测到其任意下游端口退出L0s状态，必须立即启动其上行端口发送通道的状态转换（前提是该上行端口的发送通道正处于低功耗状态）。
2.3.2.2 USP 发起退出
下游端口若需通过链路进行通信，则允许在其任一发送链路上启动L0s低功耗状态退出流程。该组件将按照第4章所述，启动下行方向通道向L0状态的转换。
若下游组件包含交换机，则一旦检测到其上行端口退出L0s状态，必须立即启动其时处于L0s状态的所有下行端口发送通道的状态转换。此转换不影响以下链路：已处于L0状态的链路，以及下游组件处于低功耗状态（即D1-D3hot状态）的链路。
举例说明：假设某交换机的上行端口处于L0s状态，其下游设备处于D1状态。此时一个配置请求数据包向下游传输至该交换机，最终目的是将该下游设备从D1状态重配置至D0状态。交换机的上行端口链路必须转换至L0状态以允许数据包到达交换机，而连接D1状态设备的下行链路此时不会立即转换至L0状态，将维持L1状态。当数据包经检查被路由至与D1状态设备相连的下行端口时，如第4.2节所述，交换机会将该下行链路转换至L0状态。需注意，此次向L0状态的转换是由数据包被路由至该特定下行L1链路所触发，而非由上行端口链路向L0状态的转换所引发。若数据包目的地是其他下行链路，则该特定下行链路将保持L1状态不变。