ARM SoC芯片上的低功耗是如何設(shè)計(jì)的

1， 介紹

隨著芯片的集成化程度提升，很多模塊都做到芯片的內(nèi)部，比如isp、dsp、gpu，這樣做成片上系統(tǒng)（System on Chip，簡(jiǎn)稱SoC），好處是整個(gè)系統(tǒng)功能更內(nèi)聚，板級(jí)面積會(huì)減少，但是芯片的體積卻越來(lái)越大。為了減少芯片面積、降低芯片成本、減少芯片功耗，逐漸地提升了芯片的工藝，從而降低了功耗，提升了能耗比。

光靠工藝的提升來(lái)減少功耗，還不夠。為了更好地功耗管理，ARM提出了功耗控制系統(tǒng)架構(gòu)（power control system architecture，簡(jiǎn)稱PCSA），用來(lái)規(guī)范芯片功耗控制的邏輯實(shí)現(xiàn)。

PCSA基于ARM的組件實(shí)現(xiàn)，規(guī)范包括：電壓、電源和時(shí)鐘的劃分；電源的狀態(tài)和模式；ARM電源控制框架和集成規(guī)范；ARM特定組件的電源和時(shí)鐘集成；帶有低功耗Q-channel和P-channel接口的IP。

前面的文章講述了linux側(cè)的功耗軟件管理框架（詳見前面的文章《一文搞懂linux電源管理（合集）》），但是這些軟件功耗管理都是基于芯片的相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)的，接下來(lái)我們看一看這個(gè)PCSA具體由哪些部分組成，通過(guò)這些組成與整個(gè)功耗控制框架的學(xué)習(xí)，了解芯片上的低功耗是如何設(shè)計(jì)的。

2， 框架

2.1 基于ARM的軟硬件管理框架

基于ARM的功耗軟、硬件管理框圖：

首先用戶發(fā)起的一些操作，通過(guò)用戶空間的各service處理，會(huì)經(jīng)過(guò)內(nèi)核提供的sysfs，操作cpu hotplug、device pm、EAS、IPA等。在linux內(nèi)核中，EAS（energy aware scheduling）通過(guò)感知到當(dāng)前的負(fù)載及相應(yīng)的功耗，經(jīng)過(guò)cpu idle、cpu dvfs及調(diào)度選擇idle等級(jí)、cpu頻率及大核或者小核上運(yùn)行。IPA（intrlligent power allocation）經(jīng)過(guò)與EAS的交互，做熱相關(guān)的管理。

Linux kernel中發(fā)起的操作，會(huì)經(jīng)過(guò)電源狀態(tài)協(xié)調(diào)接口（Power State Coordination Interface，簡(jiǎn)稱PSCI），由操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的framework（ARM Trusted Firmware，簡(jiǎn)稱ATF）做相關(guān)的處理后，通過(guò)系統(tǒng)控制與管理接口（System Control and Management Interface，簡(jiǎn)稱SCMI），向系統(tǒng)控制處理器（system control processor，簡(jiǎn)稱SCP）發(fā)起低功耗操作。SCP最終會(huì)控制芯片上的sensor、clock、power domain、及板級(jí)的pmic做低功耗相關(guān)的處理。

2.2 功耗控制框架

在SoC設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)硬件模塊能夠配合操作系統(tǒng)的功耗管理軟件或驅(qū)動(dòng)，來(lái)完成頂層的功耗控制，這個(gè)硬件模塊可以是硬件電路，也可以是一個(gè)低功耗的處理器?？紤]到靈活性，這個(gè)硬件模塊一般是一個(gè)微處理器核（比如cortex-M0）加上一些外圍邏輯電路做成的功耗控制單元（SCP）。為了SCP能夠完成SoC的功耗管理，又定義了一個(gè)功耗控制框架（power control framework，簡(jiǎn)稱PCF），PCF包含了一些接口、組件、協(xié)議來(lái)配合SCP做整個(gè)SoC的功耗管理。



PCF是用于構(gòu)建SoC功耗管理所需的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施組件、接口和相關(guān)操作方法集合。其中，標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)組件包括電源、時(shí)鐘和接口組件。比如：支持SCP通過(guò)軟件接口編程的電源策略單元（power policy unit，簡(jiǎn)稱PPU），用于低功耗控制的低功耗接口（low power interface，簡(jiǎn)稱LPI）。

1） PPU

PPU實(shí)現(xiàn)了軟件控制power domain開關(guān)控制的功能，SCP向PPU發(fā)起對(duì)power domain的開、關(guān)操作，其中PPU會(huì)通過(guò)LPI向power domain發(fā)起復(fù)位/解復(fù)位、時(shí)鐘開/關(guān)、電源隔離開/關(guān)的操作，然后PPU經(jīng)由電源控制系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)（power control state machine，簡(jiǎn)稱PCSM）控制power domain電的開、關(guān)。

2） LPI

LPI主要是指ARM的Q-channel和P-channel。Q-channel是ARM公司定義的一個(gè)低功耗接口，接口很簡(jiǎn)單，只有四根線。從AXI的低功耗接口演變過(guò)來(lái)的，其用處是控制設(shè)備靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的時(shí)鐘和電源。

控制器可以根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)或系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)起低功耗請(qǐng)求。設(shè)備可以根據(jù)自己的工作狀態(tài)，從而決定是否接受請(qǐng)求。相比Q-channel，P-channel把PACTIVE信號(hào)加寬了，不再是一根信號(hào)，設(shè)備可以傳遞更多的工作狀態(tài)給控制器?？刂破鲿?huì)額外多發(fā)出一組PSTATE信號(hào)，描述切換power狀態(tài)的請(qǐng)求。



2.3 電源域和電壓域

為了更好地對(duì)電進(jìn)行控制，ARM劃分了兩個(gè)電相關(guān)的概念：電源域（power domain）和電壓域（voltage domain）。電壓域指使用同一個(gè)電壓源的模塊合集，如果幾個(gè)模塊使用相同的電壓源，就認(rèn)為這幾個(gè)模塊屬于同一個(gè)電壓域。電源域指的是在同一個(gè)電壓域內(nèi)，共享相同電源開關(guān)邏輯的模塊合集。即在同一個(gè)電源域的模塊被相同的電源開關(guān)邏輯控制，同時(shí)上、下電。一個(gè)電壓域內(nèi)的模塊，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，拆分到不同電源域。因此，電壓域?qū)?yīng)的是功能是dvfs，而電源域的概念對(duì)應(yīng)的是power gating。

如下圖，不同顏色表示不同的電壓域，VBIG是大核處理器的電源供電，VLITTLE是小核處理器的電源供電，VGPU是圖形處理器的電源供電，VSYS是系統(tǒng)電源。虛線框包圍的模塊表示可以做電源開關(guān)處理，比如處理器核。實(shí)線框包圍的模塊表示不能做電源開關(guān)，比如SCP。








審核編輯：劉清