ARM SoC芯片上的低功耗是如何設(shè)計的

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，簡稱SoC），好處是整個系統(tǒng)功能更內(nèi)聚，板級面積會減少，但是芯片的體積卻越來越大。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，簡稱PCSA），用來規(guī)范芯片功耗控制的邏輯實現(xiàn)。

PCSA基于ARM的組件實現(xiàn)，規(guī)范包括：電壓、電源和時鐘的劃分；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)功能實現(xiàn)的，接下來我們看一看這個PCSA具體由哪些部分組成，通過這些組成與整個功耗控制框架的學(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，通過用戶空間的各service處理，會經(jīng)過內(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）通過感知到當(dāng)前的負載及相應(yīng)的功耗，經(jīng)過cpu idle、cpu dvfs及調(diào)度選擇idle等級、cpu頻率及大核或者小核上運行。IPA（intrlligent power allocation）經(jīng)過與EAS的交互，做熱相關(guān)的管理。

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

2.2 功耗控制框架

在SoC設(shè)計中，需要一個硬件模塊能夠配合操作系統(tǒng)的功耗管理軟件或驅(qū)動，來完成頂層的功耗控制，這個硬件模塊可以是硬件電路，也可以是一個低功耗的處理器。考慮到靈活性，這個硬件模塊一般是一個微處理器核（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，又定義了一個功耗控制框架（power control framework，簡稱PCF），PCF包含了一些接口、組件、協(xié)議來配合SCP做整個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)計組件包括電源、時鐘和接口組件。比如：支持SCP通過軟件接口編程的電源策略單元（power policy unit，簡稱PPU），用于低功耗控制的低功耗接口（low power interface，簡稱LPI）。

1） PPU

PPU實現(xiàn)了軟件控制power domain開關(guān)控制的功能，SCP向PPU發(fā)起對power domain的開、關(guān)操作，其中PPU會通過LPI向power domain發(fā)起復(fù)位/解復(fù)位、時鐘開/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（power control state machine，簡稱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公司定義的一個低功耗接口，接口很簡單，只有四根線。從AXI的低功耗接口演變過來的，其用處是控制設(shè)備靜止?fàn)顟B(tài)時的時鐘和電源。

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求。相比Q-channel，P-channel把PACTIVE信號加寬了，不再是一根信號，設(shè)備可以傳遞更多的工作狀態(tài)給控制器?？刂破鲿~外多發(fā)出一組PSTATE信號，描述切換power狀態(tài)的請求。



2.3 電源域和電壓域

為了更好地對電進行控制，ARM劃分了兩個電相關(guān)的概念：電源域（power domain）和電壓域（voltage domain）。電壓域指使用同一個電壓源的模塊合集，如果幾個模塊使用相同的電壓源，就認(rèn)為這幾個模塊屬于同一個電壓域。電源域指的是在同一個電壓域內(nèi)，共享相同電源開關(guān)邏輯的模塊合集。即在同一個電源域的模塊被相同的電源開關(guān)邏輯控制，同時上、下電。一個電壓域內(nèi)的模塊，可以根據(jù)設(shè)計需求，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