電源管理入門-芯片設(shè)計中的電源管理介紹

1. 關(guān)于PCSA和SCP

SCP直接控制SoC的電源和時鐘，而AP通過硬件和軟件接口協(xié)同管理。

芯片設(shè)計，要完成整個芯片的電源管理，需要軟硬件結(jié)合。一般上層軟件部分交給操作系統(tǒng)（Linux和Android等）；下層軟件由SCP固件（Firmware）實現(xiàn)，其由MHU，PPU這些模塊構(gòu)成，當(dāng)然Core也需要有相關(guān)的硬件支持。這也就是所謂的分層管理機制。

在PCSA里面，主要規(guī)范的是邏輯實現(xiàn)，物理實現(xiàn)部分并沒有在文檔中過多的體現(xiàn)。換句話說，PCSA是給芯片架構(gòu)師和前端設(shè)計師看的。至于物理實現(xiàn)，遵循S家和C家的流程。

在SCP中完成SoC的功耗管理（當(dāng)然，SCP不僅僅完成這個工作）。為此，ARM又定義了一大堆的接口，組件和協(xié)議來配合，統(tǒng)稱為“功耗控制框架（power control framework，以下簡稱PCF）”。

上層的應(yīng)用處理器（application processor，簡稱AP）可以通過軟件來給SCP發(fā)起服務(wù)（service）請求，左邊Agent我們可以理解為其它子系統(tǒng)或者IP。作為中間層的SCP是由一個M系列的處理器構(gòu)成的子系統(tǒng)，負責(zé)運行固件軟件（firmware），向上可與AP通過設(shè)定好的接口/協(xié)議通信，接收服務(wù)請求，向下控制硬件單元，監(jiān)控傳感器，控制時鐘和復(fù)位，管理電源等等。有了SCP，就能把一些任務(wù)從OSPM中抽離出來，更好的把軟件和硬件隔離，增加了靈活性和安全性。

上圖中的電源管理軟件協(xié)議棧主要分為兩部分，AP的功耗管理和設(shè)備的功耗管理。其中AP的功耗管理又分為idle管理和DVFS兩部分。首先看idle管理，當(dāng)AP處于idle狀態(tài)時，OSPM可以根據(jù)需要關(guān)斷時鐘，下電且retention，或完全斷電等多種操作。

此時要保證斷電的內(nèi)核仍然可由操作系統(tǒng)進行調(diào)度，并且可以被中斷喚醒。還有另外一種技術(shù)hot-plug。在這種情況下，AP核心將從操作系統(tǒng)可用于調(diào)度的池中移除。通過這種技術(shù)，內(nèi)核被關(guān)閉，所有中斷和軟件線程被遷移到其它內(nèi)核。這種技術(shù)既可以按需求比例使用，也可以在計算能力因功耗或散熱受到限制的情況下使用。

根據(jù)ARM的定義，功耗控制框架（PCF）是標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施組件、接口和相關(guān)方法的集合，可用于構(gòu)建SoC功耗管理所需的基礎(chǔ)設(shè)施。標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施組件包括電源、時鐘和接口組件。上圖中的LPI（low power interface）主要是指ARM的Q-channel和P-channel，PPU（power policy unit）是一個硬件組件，支持SCP通過軟件接口編程。

對于不同的設(shè)備，可能需要的電源控制場景不盡相同，比如有的模塊可能只做時鐘關(guān)斷（clock gating），有的模塊需要實現(xiàn)電源關(guān)斷（power gating），在關(guān)閉設(shè)備電源的情況下，又可以區(qū)分多種細分需求，比如是不是要做邏輯或者存儲的狀態(tài)保留（retention）；邏輯和存儲是不是可以分別關(guān)斷等等。各種條件做一下排列組合，可能會有很多種需求。

舉個例子，拿CMN中的系統(tǒng)緩存（HN-F）來說，邏輯部分，snoop filter（SF）部分，SLC RAM部分的電源可以分別控制；SLC RAM部分支持ON/OFF/RET三種電源狀態(tài)，而且SLC RAM在物理上分為兩個bank，可以選擇開一個bank，也可以選擇兩個bank全開；SF部分也支持MEM_RET。

從上圖可以看出，SCP是一個完整的小系統(tǒng)，該有的組件一個都不少。首先，SCP里面要有一個處理器，并且要具備足夠的處理能力。比如要能夠管理AP在idle狀態(tài)下的功耗；要能支持中斷，以及中斷優(yōu)先級排序；要支持調(diào)試功能；要能夠可信操作，等等。既然有了處理器，那就要有ROM，用于安全啟動，還要有RAM，運行固件時需要。

如果要支持DVS，就要有圖中的Voltage Regulator Control單元。為了配合DFS，還要有時鐘控制單元，用于管理PLL以及輸出時鐘信號。Messaging interface適用于OSPM和SCP之間通信的接口，常用的有mailbox和doorbell兩種方式。關(guān)于AP與SCP通信，有一套完整的協(xié)議來支持

PPU是為了控制SoC電源域用的，具體的數(shù)量和位置可以根據(jù)實際需要來定，比如可以做成分級式的或者分布式的。首先，PPU要提供一個配置接口給SCP，用于功耗策略控制和配置，目前用的是APB。其次，PPU與設(shè)備之間的控制接口，包括低功耗接口（low power interface，簡稱LPI），若干組Q-channel和一組P-channel，還有時鐘/復(fù)位控制。最后，還有一個與功耗狀態(tài)機之間的接口，P-channel。

PPU支持的power mode如下，其中ON/OFF/Warm Reset是必須支持的，其它備選。各種mode之間的切換，PPU配置，寄存器說明等細節(jié)請參考PPU的文檔。

電源控制部分和時鐘部分類似，就是多了一個上面提到的PPU。多提一句，PPU可以與被控制部分放在一起，也就是分布式設(shè)計。

Cluster的上電過程如下上圖，圖中的delay取決于具體設(shè)計需要：

SCP發(fā)出喚醒；

SCP拉低ACINACTM或SINACT；

SCP對PPU操作：

1)PPU打開cluster的電源開關(guān)

2)PPU拉高ISOLATEn，無效isolation cell

3)PPU拉高CLKEN，使能clock gating

4)PPU拉低RESETn，使cluster進入復(fù)位

5)PPU發(fā)出Q-channel靜止退出的請求

6)PPU拉高RESETn

7)PPU等待Q-channel握手返回

8)PPU發(fā)中斷給SCP9)SCP拉低AINACTS

關(guān)于SCP的系統(tǒng)啟動：

2. 關(guān)于PSCI和SCMI

PSCI（Power State Coordination Interface），翻譯一下就是“電源狀態(tài)協(xié)作接口”。從名字就能直觀看出來，PSCI是一套電源管理的標(biāo)準(zhǔn)接口，可用于操作系統(tǒng)在ARM設(shè)備上以不同權(quán)限級別監(jiān)控管理電源。

PSCI提供一套API來協(xié)調(diào)電源管理，如下：

PSCI_VERSION：可以調(diào)用此API得到當(dāng)前PSCI的版本信息；

CPU_SUSPEND：OSPM調(diào)用此API使處理器核進入低功耗模式；

CPU_OFF：此API用于hotplug，從系統(tǒng)中動態(tài)移除某個處理器核。被CPU_OFF移除的處理器核只能通過CPU_ON再次加載。與CPU_SUSPEND不同的是，這個接口函數(shù)不需要返回值；

CPU_ON：此API用于動態(tài)加載處理器核；

AFFINITY_INFO：此API允許調(diào)度方查詢親和實體（affinity instance）的狀態(tài)；

MIGRATE：用于將受信任的操作系統(tǒng)（trusted OS）遷移到另一個處理器核，從而原處理器核可以調(diào)用CPU_OFF關(guān)閉電源；

MIGRATE_INFO_TYPE：允許調(diào)用方識別受信任操作系統(tǒng)中存在的多核支持級別，通過返回值可以判定受信任操作系統(tǒng)是否必須運行在單一處理器上，是否支持遷移；

MIGRATE_INFO_UP_CPU：指示受信任的操作系統(tǒng)當(dāng)前的位置；

SYSTEM_OFF：系統(tǒng)關(guān)閉；

SYSTEM_RESET：系統(tǒng)冷復(fù)位；

SYSTEM_RESET2：此API是對SYSTEM_RESET的擴展；

MEM_PROTECT：此API確保內(nèi)存在交給操作系統(tǒng)加載程序之前被重寫，從而提供防止冷重啟攻擊的保護；

MEM_PROTECT_CHECK_RANGE：此API用于檢查某段內(nèi)存范圍是否受MEM_PROTECT保護；

PSCI_FEATURES：此API允許調(diào)用方檢測已實現(xiàn)的PSCI函數(shù)及其屬性；

CPU_FREEZE：此API將處理器核設(shè)置于低功耗狀態(tài)（依賴具體設(shè)計實現(xiàn)）。與CPU_SUSPEND和CPU_DEFAULT_SUSPEND不同，中斷不能喚醒該處理器；與CPU_OFF也不同，不需要遷移；

CPU_DEFAULT_SUSPEND：此API將處理器核設(shè)置于低功耗狀態(tài)（依賴具體設(shè)計實現(xiàn)），與CPU_FREEZE的調(diào)用參數(shù)不同；

NODE_HW_STATE：此API允許直接從電源控制器或電源控制邏輯確定節(jié)點的電源狀態(tài)。與AFFINITY_INFO不同，此API返回電源狀態(tài)的物理視圖；

SYSTEM_SUSPEND：此API相當(dāng)于CPU_SUSPEND到最深的低功耗狀態(tài)，但實際系統(tǒng)中有可能實現(xiàn)比CPU_SUSPEND更深的低功耗狀態(tài)，比如支持RAM掛起；

PSCI_SET_ SUSPEND_MODE：此API允許設(shè)置CPU_SUSPEND用于協(xié)調(diào)電源狀態(tài)的模式；

PSCI_STAT_RESIDENCY：此API返回自冷啟動后平臺處于某個電源狀態(tài)的時間；

PSCI_STAT_COUNT：此API返回自冷啟動后平臺使用某個電源狀態(tài)的次數(shù)；

SCP和AP之間有一個通信接口。這個通信接口在硬件上可以通過共享存儲和MHU（Message Handling Unit）實現(xiàn)；在軟件上，通過定義一組通信協(xié)議來實現(xiàn)。關(guān)于MHU需要查硬件寄存器手冊。

SCMI（System Control and Management Interface）。SCMI是用于系統(tǒng)管理的一組獨立于操作系統(tǒng)的軟件接口，包括以下幾個方面：

電源域管理

性能管理

時鐘管理

傳感器管理

復(fù)位管理

電壓域管理

關(guān)于傳輸，可以用共享存儲方式來保存AP與SCP之間的消息。通信的流程可以采用中斷，doorbell的方式，也可以采用輪詢的方式去主動查詢消息通道的狀態(tài)。采用中斷方式的通信流程如下圖：

image.png

3. 關(guān)于芯片SoC設(shè)計中的一些要點

SCP子系統(tǒng)一般是在Always-on區(qū)域，也就是休眠的時候不下電，除非整機關(guān)機才下電。

SCP有獨立的M核硬件，所以需要設(shè)計中斷，RAM內(nèi)存映射區(qū)域的使用

SCP會通過I2C連接PMIC硬件對系統(tǒng)中其他硬件模塊上電，一般按照電源域為單位，按一定順序上電

SCP通過Mailbox跟AP或者其他異構(gòu)核子系統(tǒng)通信，軟件上使用SCMI+SMT協(xié)議，硬件上使用MHU或者PL320，主要就是為了觸發(fā)中斷+共享內(nèi)存

設(shè)計SCP的硬件接口，例如I2C四根線，占四個接口

低功耗主要就是休眠和省電模式的設(shè)計，需要分析出來耗電多的子系統(tǒng)進行關(guān)閉，一般通過PMIC電源開關(guān)，clock的開關(guān)，硬件模塊自己支持的低功耗模式設(shè)置等

對于A核的休眠需要注意DDR中的數(shù)據(jù)，可以有DDR PHY硬件控制進入retention mode，一些開機DDR訓(xùn)練參數(shù)輸出保存到Always-on的RAM中去。

審核編輯：劉清