【高清视频】PCIe低功耗L1.2到底是个什么东东？（一）

2025-12-09 13:46:26

我们常用的笔记本有的时候你会发现蓝屏，或者说崩了，除了操作系统、补丁包、应用导致的问题外，还有一块就是和笔记本里面的M.2 NVMe SSD有关。当操作系统要写东西到SSD发现不通了，可不就直接蓝屏、死机了嘛！大品牌的SSD低功耗测试这块做得相对好很多，很多小品牌，或者使用不知名品牌主控的SSD就容易出这些问题。

再仔细深究一下，除了M.2 SSD本身有问题外，还有相当大的一部分原因就是SSD"进入"低功耗L1.2，然后需要双向通讯（CPU <--> M.2 SSD)的时候“退出”低功耗L1.2出现问题，导致CPU找不到SSD。

其实，这个不仅仅是我们经常用的笔记本电脑有这个问题，各种高速的消费类产品都有PCIe低功耗这个问题，包括使用BGA SSD的手机，Pad/平板，以及使用M.2接口进行通讯的非SSD应用等等。只要使用PCIe协议一定会相当频繁地进/出L1.2低功耗。

我们将通过两期文章，结合SerialTek PCIe 5.0协议分析仪的高清视频讲解，让你成为掌握L1.2低功耗技术的专家。

今天视频拍摄时间很紧张，由于时间关系我们本期视频未添加中文字幕供，但是下面的文字是针对该视频的尽量清晰的总结供参考。如果想看高清视频建议要在电脑上打开上面的视频链接进行观看！创作不易，欢迎分享到朋友圈或者与朋友讨论！如果想搬运我们的视频请告知我们。

下面是我们本次使用的测试的高清图片。

PCIe Gen5 协议分析仪实测：M.2 设备 L1.2 低功耗行为深入解析

（基于 ThinkPad X1 Carbon 实机演示）

本文结合实际演示环境与协议原理，完整解析了 PCIe M.2 SSD 在笔记本电脑中的 L1.2 低功耗行为，以及 SerialTek PCIe Gen5 协议分析仪如何稳定抓取“高频进出低功耗”场景下的链路信号与 TLP/DLLP 流量。下面的文字内容总结来自上述的实际演示的操作记录。

一、测试环境与硬件架构

1. 测试平台

主机：ThinkPad X1 Carbon（PCIe Gen3 x4 M.2 SSD 设计）
SSD：原机 NVMe SSD，被移出用于串联协议分析仪
分析仪：SerialTek PCIe Gen5（具备独立高性能处理架构）
Interposer：M.2 2242/2280 Host-Side Adapter + Device-Side Adapter（中间插入 Y 型高速线缆）
Sideband：使用 Oculink 线缆抓取 CLKREQ#、PERST#、REFCLK、WAKE# 等信号

分析仪被串入 CPU ⇄ M.2 SSD 的 PCIe 通路，能同时抓取：

上下行高速链路数据（TLP/DLLP/Training）
Sideband 边带信号（特别是 Clock Request）

这些信号组合可完整还原低功耗行为和链路训练过程。

二、为何笔记本必须频繁进入 PCIe 低功耗？

手机（如苹果手机内嵌BGA NVMe SSD)、Pad平板、笔记本电脑的电池必须尽可能延长续航，在电池技术没有突破性进展之前，PCIe 设备设计为只要没有传输数据便立即进入 L1.x 低功耗状态，通常在 1 微秒以内 就触发，从而大大提供设备的待机时间。

三种 L1 低功耗模式

模式	说明
L1.0	最浅度的低功耗，部分电路仍工作
L1.1	更低功耗，PLL/时钟部分关闭
L1.2	最深低功耗状态，链路几乎全部关闭

现代笔记本几乎都会直接进入 L1.2。

NVMe Power State 与 PCIe L1.x 的对应关系

PS3 → L1.1 或 L1.2
PS4 → 必定进入 L1.2

于是链路呈现一种极高频率的行为：

每秒数千至数万次：进入 L1.2 → 被唤醒 → 完成 LTSSM Training → 传输数据 → 再次进入 L1.2

这一模式对PCIe协议分析仪是极大的挑战。

三、低功耗进入/退出机制：Clock Request 的关键作用

低功耗控制包含两部分信号：

1. DLLP 的 Power Management Request (PM_Req)

用于通知对端进入低功耗。

2. Sideband 信号：CLKREQ#

这是最关键的信号之一：

CLKREQ# = High（拉高） → 进入低功耗
CLKREQ# = Low（拉低） → 退出低功耗，准备训练链路

在 Trace 中可非常直观看到：

只要 CLKREQ# 拉低 → 马上开始 TS1/TS2 训练序列

随后进入 L0，传输少量 TLP，流量结束后立即再次进入 L1.2。

PCIe协议分析仪的sideband边带信号窗口能完整还原这一过程。

四、LTSSM 行为：从 L1.2 唤醒到再次进入 L0

进入 L1.2 后，链路等效于“冷却”状态，包括：

TX/RX 全部关闭
PLL 关闭
REFCLK 可能被门控

因此唤醒时必须执行 完整或部分训练流程：

链路恢复路径（常见）

L1.2 → Detect → Polling (TS1/TS2) → Configuration → Recovery → L0

此循环可能在一秒内发生数千次。

训练期间产生的 CRC error、8b/10b disparity error 等属于正常现象，并非链路质量问题。

五、为什么其他分析仪难以捕捉 L1.2 行为？

视频里面特别强调了一点非常关键：

目前全球范围内只有SerialTek PCIe协议分析仪能够可靠捕捉高频率进入/退出 L1.2 的链路。

大多数分析仪会出现：

无法在 Training 瞬间锁定链路
丢包或解码失败
产生大量伪错误
在 L0 与 L1.2 高频切换时彻底失效

原因是：

训练窗口极短（微秒级）
TLP/DLLP 零碎且高频
时钟恢复与锁相环变化极快
Sideband 与高速线必须同步解码

这正是低功耗调试领域的痛点。

六、实测 Trace 中的关键观察

以下基于演示捕获到的 5.25GB Trace 数据总结：

1. 开机阶段大量 Training

开机需要读取 Bootloader 与 Windows 系统文件
链路在一段时间内保持 L0，不进入低功耗

2. 进入 OS 后频繁进出 L1.2

一旦系统完成大批量 IO，链路开始 频繁进入低功耗
CLKREQ# 波形呈典型的“锯齿状”：拉高（L1.2）→拉低（唤醒）→训练→传输→再次拉高

3. 上下行流量不对称

Downstream（CPU → SSD）通常读操作更多
Upstream（SSD → CPU）则反馈数据与 Completion

4. Training 信号与错误均正常

Training 期间黄色标记、CRC 或其他 error 属正常协议行为。

这些观察在 Sideband/TLP/DLLP 窗口中均可完整复现。

七、关键知识点总结

1. L1.2 是笔记本 PCIe 的默认低功耗模式

为了节省电量，链路会在 每一次短暂停顿后立即进入 L1.2。

2. 唤醒链路需要完整 training

TS1/TS2 是恢复链路的必须步骤。

3. Clock Request 是判断低功耗行为最关键的信号

几乎可以凭 CLKREQ# 判断每一次进出低功耗。

4. PCIe分析仪能力要求极高

必须同时满足：

高速 AFE + 超强 CDR（锁相能力）
对上百次/秒 Training 的实时锁定能力
对 Sideband 与高速链路的同步采集
内部独立 CPU/GPU 级处理能力（避免 PC 解码过慢）

5. M.2 Interposer 的信号完整性要求极高

包括：

短走线设计
阻抗控制
GND 参考一致性

否则 Training 极易失败。

八、结语

M.2 SSD(或者其它基于M.2接口的低功耗外设)在笔记本电脑中日常运行时，会呈现一种“极高频率的低功耗跳变”行为：不断在 L0 ↔ L1.2 之间切换。

这种复杂行为目前在全球范围内只有SerialTek的高端 PCIe 分析仪能够长时间正确捕获并解码。通过本次 ThinkPad X1 Carbon 的实机演示，我们真实呈现了：

低功耗为何如此频繁发生
链路训练如何在微秒级执行
Sideband 信号与高速链路如何协同工作
分析仪如何避免丢包、伪错误与链路丢失

该流程对于调试 PCIe 低功耗、M.2 性能问题、功耗优化、系统不稳定问题（如黑屏、睡眠唤醒慢）都具有重要参考价值。

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