4. LPM协议基础
在电池供电设备中，链路电源管理（LPM）是降低空闲功耗的核心技术。USB 2.0 引入了 L1 状态，而 USB 3.x 则定义了 U1/U2 状态。虽然目标都是节能，但两者的协议机制、进入/退出条件、延迟和握手方式存在显著差异。本节将从协议层面进行深度对比。
4.1 USB 2.0 LPM (L1) 协议机制
USB 2.0 LPM 是对传统 Suspend (L2) 的补充，旨在提供更快的进入和退出延迟，以适应移动设备的频繁空闲场景。L1 状态由主机控制器通过发送特定的 LPM 令牌包来发起。
关键特征： L1 状态由主机主动发起，设备必须响应 ACK/NAK/STALL。退出延迟目标为 50µs，远快于 L2 的 10ms+。
4.1.1 L1 进入流程
- 主机发送 LPM 令牌： 主机控制器在 SOF 帧间隙或空闲时，向目标设备发送一个 LPM 令牌包（Token Packet），包含设备地址、端点号和 LPM 属性（如唤醒能力）。
- 设备响应握手： 设备在收到令牌后，必须在 192 位时间内返回握手包：
- ACK： 设备接受 LPM 请求，准备进入 L1。
- NAK： 设备忙，暂时无法进入 L1。
- STALL： 设备不支持 LPM 或端点错误。
- 链路挂起： 主机收到 ACK 后，停止发送 SOF 和任何总线活动，总线进入空闲状态（Idle）。设备检测到总线空闲超过 3ms 后，正式进入 L1。
- 维持状态： 在 L1 下，VBus 保持有效，D+/D- 线处于空闲状态（SE0 或 J/K 状态取决于配置）。
4.1.2 L1 退出流程
- 主机发起： 主机通过驱动总线上的复位（Reset）或恢复（Resume）信号来唤醒设备。设备检测到总线活动后，在 50µs 内恢复到 L0 状态。
- 设备远程唤醒： 如果设备支持远程唤醒，可以通过驱动 D+ 或 D- 线上的 K 状态来请求主机退出 L1。主机检测到唤醒信号后，驱动 Resume 信号完成退出。
设计提示： L1 的退出延迟虽然快，但主机控制器需要精确控制总线空闲检测时间（3ms），过早或过晚都会导致协议错误。在电池供电设备中，建议将 L1 作为短时空闲的首选状态。
4.2 USB 3.x LPM (U1/U2) 协议机制
USB 3.x 采用全双工差分信号（SSTX/SSRX），其 LPM 机制与 USB 2.0 完全不同。U1 和 U2 是面向链路的低功耗状态，由链路层通过 LMP（链路管理包） 协商进入。
关键特征： U1/U2 是链路层状态，不依赖主机令牌。进入/退出由物理层和链路层协同完成，延迟更低（U1 退出约 1µs，U2 退出约 10µs）。
4.2.1 U1/U2 进入流程
- 空闲检测： 当链路层检测到发送和接收路径都处于空闲状态（无数据包、无训练序列）时，链路层可以发起 LPM 请求。
- LMP 交换： 链路层发送
LMP_GO_TO_U1或LMP_GO_TO_U2包。接收方链路层收到后，必须回复LMP_ACCEPT或LMP_REJECT。 - 物理层降电： 一旦接受，物理层开始关闭部分电路（如 PLL、时钟缓冲器、均衡器）。U1 关闭发送器，U2 进一步关闭接收器。
- 电气空闲： 链路进入电气空闲状态（Electrical Idle），差分信号线上无电压摆动。
4.2.2 U1/U2 退出流程
- 任意一侧发起： 主机或设备都可以通过发送 LFPS（低频周期性信号） 来唤醒链路。LFPS 是一种低频脉冲序列，用于唤醒接收端的物理层。
- 训练序列： 接收端检测到 LFPS 后，启动接收器，并开始链路训练（TS1/TS2 序列），重新建立位锁定和符号锁定。
- 恢复 L0： 训练完成后，链路恢复到 L0 状态，可以正常传输数据。
注意： U2 的退出延迟比 U1 长，因为需要重新锁定接收器。在电池供电设备中，如果预期空闲时间较短（如 < 1ms），应优先使用 U1；如果空闲时间较长（如 > 10ms），使用 U2 可以节省更多功耗。
4.3 协议机制对比表
| 对比维度 | USB 2.0 LPM (L1) | USB 3.x LPM (U1) | USB 3.x LPM (U2) |
|---|---|---|---|
| 发起方式 | 主机通过令牌包主动发起 | 链路层通过 LMP 协商 | 链路层通过 LMP 协商 |
| 握手协议 | ACK/NAK/STALL（设备响应） | LMP_ACCEPT / LMP_REJECT | LMP_ACCEPT / LMP_REJECT |
| 进入延迟 | ~3ms（总线空闲检测） | ~1µs（LMP 交换 + 物理层降电） | ~5µs（LMP 交换 + 物理层降电） |
| 退出延迟 | ~50µs（Resume 信号） | ~1µs（LFPS + 快速训练） | ~10µs（LFPS + 完整训练） |
| 功耗节省 | 中等（总线空闲，VBus 保持） | 较低（仅关闭发送器） | 较高（关闭发送器和接收器） |
| 远程唤醒 | 设备通过 K 状态驱动 | 任意一侧通过 LFPS | 任意一侧通过 LFPS |
| 适用场景 | 短时空闲（ms 级） | 极短空闲（µs 级） | 中等空闲（ms 级） |
4.4 协议状态机对比
下图展示了 USB 2.0 L1 与 USB 3.x U1/U2 在链路层状态机中的位置和转换路径。注意 USB 3.x 的 U1/U2 是并行状态，而 USB 2.0 的 L1 是 L0 的直接子状态。
4.5 关键差异总结
- 握手方式： USB 2.0 L1 使用主机-设备令牌握手，USB 3.x U1/U2 使用链路层对等 LMP 协商，后者更灵活且不依赖主机调度。
- 退出延迟： U1 的退出延迟（~1µs）远低于 L1（~50µs），适合高频次空闲切换；U2 的退出延迟（~10µs）仍优于 L1。
- 功耗粒度： USB 3.x 提供了两级睡眠（U1/U2），允许根据空闲时间动态选择，而 USB 2.0 只有一级 L1。
- 远程唤醒： USB 3.x 的 LFPS 机制比 USB 2.0 的 K 状态驱动更可靠，且支持任意一侧发起。
- 兼容性： L1 需要设备固件支持 LPM 令牌解析，U1/U2 需要链路层硬件支持 LMP 交换，通常由 PHY 和 MAC 硬件自动完成。
优化建议： 在电池供电设备中，如果同时支持 USB 2.0 和 USB 3.x，建议优先使用 USB 3.x 的 U1 状态处理短时空闲（如触摸屏扫描间隔），使用 U2 处理较长时间空闲（如无操作 10ms 以上）。对于仅支持 USB 2.0 的设备，L1 仍然是比传统 Suspend 更优的选择。