PCIe扫盲系列(五)
PCIe Power Management概述（一）
PCIe总线定义的与功耗管理功能（Power Management，PM）相关的主要有：PCI-Compatible PM、Native PCIe Extensions、Bandwith Management和Event Timing Optimization。
其中，PCI-Compatible PM是一种在软件上和硬件上都与PCI-PM（定义在ACPI Spec中）兼容的模式，其要求PCIe设备的每个Function都包含PCI Power Management Capability寄存器。软件可以通过配置请求（Configuration Request）的方式来切换PCIe设备的某个Function的PM状态。在PCIe Spec V2.1中，还引入了动态功耗分配（Dynamic Power Allocation，DPA）的功能，具体请参考相关Spec，该模式并非本文介绍的重点。
本文介绍的重点为Native PCIe Extensions模式。该模式定义了一个基于硬件的，自发的链路功耗状态管理单元（Active State Power Management for the Link，ASPM），以及相关的唤醒机制（后面会详细讲）。PCIe设备之间通过功耗管理事件（Power Management Event，PME）来进行相互通信，并控制功耗状态的切换。而功耗管理事件（PME）本质上是一种Message。
在PCIe Spec V2.1中，还引入了带宽管理功能（前面的文章也提到过），这里就不详细介绍了，具体请参考相关的Spec。
此外，Event Timing Optimization主要是针对Native PCIe Extensions模式中的PME的时序优化和防死锁（Dead-Lock）等，本文也不再详细介绍，具体请参考Spec相关内容或者Mindshare的书籍的相关章节。
PCI Power Management Capability寄存器对于PCI总线来说是可选的，但是对于PCIe总线来说则是强制的。该寄存器位于PCI-Compatible的配置空间中，其Capability ID为01h。如下图所示：
ACPI（Advanced Configuration and Power Interface） Spec主要定义的是操作系统层面上的PM，在ACPI指定之前，各个厂商的设备之间的PM兼容性很差，甚至是完全不兼容。而ACPI的出现，统一了操作系统层PM（即OSPM）的规范。OSPM的各个功耗状态定义如下：
电源状态总结翻译
| 电源状态 | 描述 |
|---|---|
| 工作状态（G0/S0） | 系统完全正常运行。 |
| 睡眠状态（G1） | 系统看似已关闭，功耗已降低。恢复到“工作状态”所需的时间与所选择的省电级别成反比（省电越多，唤醒越慢）。 • S1：缓存已刷新，CPU 暂停。 • S2：与 S1 相同，但 CPU 已断电。不常用，因为相比 S3 优势不大。 • S3（也称“挂起到内存”或“待机”）：与 S2 相同，但系统上下文保存在内存中，且更多部件已关闭。唤醒时 CPU 执行完整启动流程，但会检查 CMOS 中的标志位，从而直接从内存恢复上下文，因此可快速恢复程序执行。 • S4（也称“挂起到磁盘”或“休眠”）：与 S3 类似，但系统将上下文复制到磁盘后，切断包括内存在内的所有电源。省电效果更好，但恢复时间更长，因为需从磁盘读取上下文。 |
| 软关机（G2/S5） | 系统看似已关闭，功耗极低。由于内存内容已丢失，需完全重启才能恢复到“工作状态”，但仍保留部分电源以支持唤醒（如按下电源键）。 |
| 机械关机（G3） | 系统已断开所有电源，完全无电。 |
该表格描述了 ACPI（高级配置与电源管理接口）标准中定义的几种系统电源状态，从完全运行（G0）到完全断电（G3），其中睡眠状态（G1）按省电程度和唤醒速度细分为 S1~S4，越往后越省电但唤醒越慢。软关机（G2）仍需少量待机电源，而机械关机（G3）则是完全断电状态。
同时，也定义了PCIe设备的PM状态：
设备电源状态总结翻译
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| D0 | 设备已开启，以全功率运行，且完全正常工作。 |
| D1 | 此状态为可选状态，仅定义为功耗低于 D0，但并不常用。 |
| D2 | 此状态为可选状态，仅定义为功耗低于 D1，但并不常用。 |
| D3 | 设备功耗降至最低，主电源可能被关闭。唯一要求是：在仍有供电的情况下，设备必须能够响应配置命令以重新进入 D0 状态。在此状态下，设备电源可以被完全移除，恢复供电时设备将经历一次硬件复位。 |
简要总结：
该表格描述了 ACPI 标准中设备（如 PCI 设备）的电源状态分级，从 D0（全功率运行）到 D3（最低功耗）。D1 和 D2 是可选且不常用的中间状态，D3 是最终低功耗状态，支持断电，但恢复时需重新初始化。
下面来详细地介绍一下PCIe设备的各个PM状态。
D0
1、D0状态，又被称为Full-On状态。其有两个子状态——D0（未初始化，Uninitialized）和D0（活动，Active）。
当PCIe设备刚完成Fundamental Reset（前面的文章详细介绍过）时，或者刚从D3 Hot状态进入D0状态时，该PCIe设备的Function默认进入的是D0未初始化状态。在D0未初始化状态下，所有的寄存器（除了Sticky位）都恢复为其默认的状态。此时，只能响应配置请求（Configuration Transaction），且不能发起事务，也不能处理接收到的Memory或者IO事务。
当处于D0未初始化状态的Function完成配置后，便会进入D0活动状态。在D0活动状态下，Function的所有功能都是可操作的，即正常工作的状态。
具体如下表所示：
注：链路PM状态即前面文章介绍的LTSSM中的状态，这里就不再回顾了。
D1
2、D1状态，又称为轻睡眠状态（Light Sleep）。该状态是可选的，具体如下表所示，这里就不详细介绍了：
D2
3、D2状态，又称为深睡眠状态（Deep Sleep）。该状态也是可选的，具体如下表所示，这里就不详细介绍了：
D3
4、D3状态，又称为Full-Off状态。其也有两个子状态D3 Hot状态和D3 Cold状态。当设备进入D3 Hot状态，表明该设备的电源尚未切断；而进入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。
软件层可以通过向PMCSR（Power Mgt Control and Status Register）的PowerState位置写相关值，使得设备的某个Function进入D3 Hot状态。在D3 Hot状态下，该Function只能发送PME消息和PME_TO_ACK消息或者应答配置请求和PME_Turn_Off消息。
在进入D3状态之前，软件必须保证所有重要的Non-Posted的请求都收到了与之匹配的Completion。这可以通过配置空间中的设备状态寄存器的相关位来查询。如果由于目标PCIe设备故障，导致其长时间内无法接收到Completion，则软件必须要等待足够长的时间在执行进入D3的操作。当Function进入D3 Hot状态后，链路则会强制进入L1状态。此时Function的内容（寄存器中的数据等）将会丢失，但是PCIe设备必须要保证PME的相关内容不受影响，这样才能在D3 Hot状态下产生PME消息。
注：虽然是对PCIe设备的某一个Function进行的PM操作，但是PM操作会影响到电源状态和链路状态，进而影响到同一个设备的其他Function（如果是Multi-Function设备的话）。
当PCIe设备的电源（Vcc）被断开后，则自动从D3 Hot状态进入D3 Cold状态。在D3 Hot的情况下，软件可以向Function的PMCSR中的PowerState位置写入相关内容，使得Function从D3 Hot状态切换为D0未初始化状态。此后，可能还需要一次复位操作，才能使得该Function进入D0活动状态。
D3 Hot的相关信息如下表所示：
当PCIe设备的电源被恢复后，则必须要进行一次复位操作，才能使得其从D3 Cold状态回到D0状态。相关信息如下表所示：
PCIe设备PM的各个状态之间的切换关系，如下图所示：
具体信息如下表所示：
相连的两个PCIe设备之间的PM状态关系如下表所示：
链路（Link）状态与PM的关系如下表所示：
一个链路从L0进入L1状态的执行流程示意图如下：
