好多人对于笔记本电脑低功耗，尤其是耗电较大的PCIe SSD (也叫NVMe SSD)，M.2 SSD进出低功耗过程中碰到问题束手无策，业内两家非常成熟的方案大大可以加快问题的诊断速度 - 1）SerialTek PCIe协议分析仪；2）Quarch PAM 功耗和边带信号分析模块；我们今天将两个工具串接在一起实际演示、讲解一下，让大家对于两个工具的基本功能，以及PCIe链路的L1.2低功耗有更加感性的认识，高清视频大概30min。

为了方便工程师观看，我们针对本期视频并处理添加了中文字幕供大家参考。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。

下面是根据今天的视频字幕整理并适当润色后的完整文字报告，在保持原始技术内容的基础上进行了结构化重组，使其更适合用于技术分享或者内部培训使用。

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PCIe NVMe SSD 低功耗机制分析

——基于 SerialTek 协议分析仪 + Quarch PAM 的实测解析

一、研究背景：笔记本电脑功耗优化的重要性

随着移动计算设备的发展，电池续航能力成为笔记本电脑体验的重要指标。然而，目前电池技术并未出现突破性进展，因此系统层面和硬件层面的功耗优化显得尤为关键。

在典型使用场景中：

• 轻度使用：笔记本续航通常约 10~15 小时

• 高负载运行：续航可能下降至 3~4 小时

• 极端高负载：甚至可能 1~2 小时耗尽电量

因此，降低系统功耗成为设计重点。

除了操作系统层面的节能机制（例如 Sleep / Standby 等电源管理策略），硬件层面的低功耗设计同样至关重要。尤其是：

• PCIe NVMe SSD

• GPU / 高速 IO 设备

这些高速设备往往是系统功耗的重要来源。

本实验重点研究：

PCIe M.2 NVMe SSD 在底层硬件层面如何实现低功耗管理。 

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二、实验平台与测试环境

1 实验设备

实验使用一台较旧的笔记本电脑：

• 型号：ThinkPad X1 系列

• CPU：Intel Core i7（第八代）

• SSD：Intel 600P NVMe SSD

• 接口：PCIe 3.0 x4 NVMe

系统内部原本结构为：

CPU
  │
PCIe Root Complex
  │
M.2 插槽
  │
NVMe SSD

为了进行协议和功耗分析，实验中插入了两套专业测试设备：

（1）PCIe Protocol Analyzer

用于捕获：

• PCIe TLP / DLLP 包

• LTSSM 状态变化

• Sideband 信号

（2）Quarch PAM（Power Analysis Module）

用于监测：

• 电压

• 电流

• 功耗

• Sideband 信号

包括：

• CLKREQ#

• PERST#

• REFCLK

• 3.3V 电源

• DevSleep 等信号

该模块通过 USB Type-C 连接到管理电脑，并由 Quarch Power Studio 软件进行实时监控。 

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三、测试拓扑结构

实验系统的信号路径如下：

CPU
 │
M.2 Slot
 │
Quarch PAM M.2 Fixture
 │
PCIe Protocol Analyzer
 │
NVMe SSD

信号流程为：

CPU  → M.2 Slot
        → PAM分析模块
        → Protocol Analyzer
        → NVMe SSD

该结构可以实现：

• 实时功耗监测

• 协议抓包

• Sideband 信号同步分析

从而能够完整观察：

PCIe 链路状态变化 + SSD 功耗状态变化之间的关系。 

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四、实验软件环境

实验使用两套软件：

1 SerialTek Analyzer Web界面

功能：

• 抓取 PCIe 数据包

• 查看 LTSSM 状态

• 查看 TLP / DLLP

2 Quarch Power Studio

功能：

• 记录功耗

• 记录电压电流

• 监控 Sideband 信号

支持：

• 长时间记录

• 持续几小时甚至几天的功耗数据

软件界面可以实时显示：

Voltage
Current
Power
CLKREQ#

并通过时间轴进行同步分析。

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五、PCIe SSD 的低功耗机制

在系统运行过程中，如果 CPU 与 SSD 之间没有 IO 交互，系统会自动进入低功耗模式。

这一机制完全由 硬件自动管理，无需操作系统干预。

低功耗过程包括两个关键状态：

1 PCIe 链路低功耗状态

PCIe 链路进入：

L1.2

这是 PCIe 定义的 深度低功耗状态。

特征：

• PHY 时钟关闭

• 数据链路停止

• 仅保持最小逻辑

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2 NVMe SSD 进入 Power State 4

SSD 同时进入：

NVMe Power State 4

这是 NVMe 定义的极低功耗状态。

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六、关键控制信号：CLKREQ#

在整个低功耗机制中，最重要的信号是：

CLKREQ# (Clock Request)

该信号用于：

• 控制 PCIe Reference Clock

• 触发链路进入 / 退出低功耗状态

实验中可以看到：

CLKREQ# 信号不断拉低 / 拉高

含义：

信号变化	含义
CLKREQ# 拉低	请求时钟 → 链路唤醒
CLKREQ# 拉高	不需要时钟 → 进入低功耗

因此：

CLKREQ# 是 PCIe ASPM 低功耗机制的关键控制信号。 

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七、进入低功耗的过程

当 CPU 与 SSD 之间没有 IO 时：

1️⃣ CLKREQ# 拉高 

2️⃣ PCIe 链路进入 L1.2 

3️⃣ SSD 进入 Power State 4

整个过程非常快：

≈ 1 ms

也就是说：

只要系统出现短暂空闲，就可能进入低功耗。 

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八、退出低功耗的过程

当 CPU 需要访问 SSD 时：

1️⃣ CLKREQ# 拉低 

2️⃣ PCIe 重新启动时钟 

3️⃣ LTSSM 重新训练 

4️⃣ 链路进入 L0 

5️⃣ 开始数据传输

在协议分析仪中可以看到：

LTSSM Training
↓
进入 L0
↓
发送 TLP / DLLP

因此每次唤醒都会经历：

Link Training

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九、协议分析观察结果

在协议分析仪中可以观察到：

数据类型	含义
蓝色	TLP Packet
绿色	DLLP Packet
紫色	Idle

当链路进入低功耗时：

数据包消失
链路进入 Idle

当链路唤醒时：

LTSSM Training
↓
恢复 TLP/DLLP

在 Training 过程中：

偶尔出现 Decode Error 是正常现象。

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十、功耗分析工具优势

Quarch PAM 的一个重要优势是：

支持长时间连续记录。

例如：

• 几小时

• 几天

• 几周

只要磁盘空间足够即可。

这对于分析：

• 间歇性功耗问题

• 长周期电源问题

• 系统稳定性

非常有价值。 

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十一、实验结论

通过本次实验可以得到几个关键结论：

1 PCIe SSD 低功耗完全自动化

无需软件参与：

CPU ↔ SSD 无IO
→ 自动进入低功耗

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2 低功耗进入速度极快

典型：

< 1 ms

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3 CLKREQ# 是关键控制信号

它控制：

• Reference Clock

• PCIe Link Power State

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4 PCIe 低功耗依赖 LTSSM 重新训练

每次退出低功耗都会触发：

LTSSM Training

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5 功耗与协议必须联合分析

仅使用协议分析仪无法看到：

真实功耗

而仅使用功耗工具无法看到：

PCIe 协议行为

因此：

Protocol Analyzer + Power Analyzer 的组合非常重要。

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十二、对工程师的实际意义

对于系统验证工程师来说，该技术可以用于分析：

1 SSD 待机功耗过高

可能原因：

• ASPM 未开启

• CLKREQ# 未连接

• BIOS 配置问题

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2 SSD 无法进入 L1.2

可能原因：

• Host 不支持

• SSD firmware 问题

• Signal integrity 问题

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3 系统唤醒延迟

可能原因：

• LTSSM 训练失败

• 链路重协商过慢

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十三、总结

本实验通过 SerialTek PCIe Protocol Analyzer 与 Quarch PAM 功耗分析模块的组合，对 PCIe NVMe SSD 的低功耗机制进行了深入验证。

实验结果表明：

• PCIe SSD 在无 IO 时会迅速进入低功耗

• 关键控制信号为 CLKREQ#

• 链路状态在 L0 ↔ L1.2 之间频繁切换

• 每次唤醒都需要 LTSSM 重新训练

该分析方法对于：

• SSD 功耗优化

• 笔记本续航优化

• PCIe 电源管理验证

具有重要价值。

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