PCIe之ASPM及子状态（L0s L1）简介

ASPM（Active State Power Management，主动状态电源管理） 是 PCI Express（PCIe）规范中用于在设备处于 工作状态（D0） 时动态降低链路功耗的关键机制。它通过控制物理链路的低功耗状态，无需将设备完全挂起到深度睡眠（如 D3），从而在保持功能可用性的同时节省电能。

ASPM 定义了多个链路级低功耗子状态，主要包括：

L0s
L1（基础状态，也称 L1.0）
L1.1
L1.2

下面对这四种状态进行简单介绍。

一、总体架构：ASPM 的层次关系

状态	类型	是否需两端协商	典型延迟	功耗节省
L0	正常活动	—	0	无
L0s	轻度节能	❌ 单端可进	~10–100 ns	低
L1.0	中度节能	✅ 必须两端同意	~1–2 μs	中
L1.1	深度节能	✅ + CLKREQ#	~2–10 μs	高
L1.2	极致节能	✅ + CLKREQ#	~50–200 μs	极高

✅ 所有状态都发生在 设备处于 D0（运行状态） 时，与系统睡眠状态（S0/S3）无关。

二、逐状态简介

1. L0s（Low Power State with Short Latency）

✅ 核心特点：

延迟极低（纳秒级），对性能几乎无影响。
仅关闭发送器（Tx），接收器（Rx）通常保持监听。
单向进入：链路一端可独立进入 L0s，无需对方同意。
适用于高频、突发性通信场景（如 NVMe SSD、网卡）。

🔧 工作机制：

空闲时，Tx 关闭，进入“电气空闲”（Electrical Idle）。
退出时，发送 EIOS（Electrical Idle Exit Ordered Set） 通知对端。
无需重新训练链路（Link Training）。

⚠️ 局限：

节能效果有限（仅省 Tx 功耗）。
某些旧设备或服务器平台会禁用 L0s，因可能引入微小延迟抖动。

2. L1（即 L1.0，基础 L1 状态）

✅ 核心特点：

需两端协商：通过 DLLP（Data Link Layer Packet）交换 PM_Enter_L1 和 PM_Ack_L1。
关闭 Tx 和 Rx，但主参考时钟（RefClk）保持运行。
延迟在 1–2 微秒 量级。
节能效果明显，广泛用于桌面和服务器。

🔧 工作机制：

双方确认空闲后，进入 L1。
退出时需重新同步链路（但无需完整 Link Training）。
时钟持续运行，确保快速唤醒。

📌 注意：

L1.0 是 PCIe 1.0 就定义的状态，兼容性最好。
大多数 BIOS 默认启用 “L0s + L1” 组合。

3. L1.1（Enhanced L1 Substate）

✅ 引入背景：

PCIe 2.0 新增，为移动设备进一步降低功耗。
核心改进：允许关闭主参考时钟（RefClk）。

🔑 关键机制：CLKREQ# 信号

CLKREQ# 是一个边带信号（通常为开漏、低有效）。
当设备在 L1.1 中需要唤醒时，**拉低 CLKREQ#**。
上游设备（如 Root Complex）检测到后，重新开启 RefClk。
时钟稳定后，链路退出 L1.1。

✅ 优势：

比 L1.0 多节省 10–30% 功耗（时钟树是主要功耗源之一）。
延迟仍可控（通常 <10 μs）。

⚠️ 要求：

必须有 CLKREQ# 引脚连接（硬件设计支持）。
链路两端均需支持 L1.1（通过 PCIe Capability 寄存器通告）。

4. L1.2（Deeper L1 Substate）

✅ 核心特点：

在 L1.1 基础上更进一步：完全关闭主时钟域。
使用极低频辅助时钟（如 100 kHz）监听 CLKREQ# 或唤醒事件。
功耗最低，适用于 Wi-Fi、蓝牙、传感器 等低频外设。

🔧 工作机制：

主 RefClk 完全关闭。
PHY 使用低功耗振荡器维持最小监听能力。
唤醒流程：
拉低 CLKREQ# → 开启 RefClk → 时钟稳定 → 退出 L1.2 → 恢复通信

⏱️ 延迟代价：

退出延迟显著增加，典型值 50–200 μs，甚至更高。
不适用于延迟敏感场景（如实时音视频、高性能存储）。

✅ 节能效果：

可比 L1.0 节省 50% 以上链路功耗。
在笔记本待机时对延长续航有显著贡献。

三、四种状态对比总表

特性	L0s	L1.0	L1.1	L1.2
引入版本	PCIe 1.0	PCIe 1.0	PCIe 2.0	PCIe 2.0
进入是否需协商	❌ 否	✅ 是	✅ 是 + CLKREQ# 支持	✅ 是 + CLKREQ# 支持
主参考时钟（RefClk）	保持开启	保持开启	可关闭	完全关闭
是否需要 CLKREQ#	❌ 否	❌ 否	✅ 是	✅ 是
典型退出延迟	10–100 ns	1–2 μs	2–10 μs	50–200 μs
功耗节省程度	低	中	高	极高
典型应用场景	高速 NVMe、网卡	通用设备	笔记本内嵌设备	蓝牙/Wi-Fi/传感器
链路训练（LTSSM）	无需	轻量同步	需时钟恢复 + 同步	完整时钟恢复 + 同步

四、系统中的配置（Linux 示例）

# 查看当前 ASPM 策略
cat /sys/module/pcie_aspm/parameters/policy
# 输出：default, performance, powersave, powersupersave

# 强制启用 ASPM（需内核支持）
echo powersupersave > /sys/module/pcie_aspm/parameters/policy

查看某设备的ASPM子状态: