加紧学习，抓住中心，宁精勿杂，宁专勿多。
-- 周恩来
作为目前全球最大的IP供应商，ARM在芯片功耗控制方面也是做了很多的工作。刚好最近在看相关内容，今天就来扒一扒。
凡事都要师出有名，ARM先是起了一个听着就高大上的名字“功耗控制系统架构（power control system architecture，以下简称PCSA）”。在PCSA里面，主要规范的是逻辑实现，物理实现部分并没有在文档中过多的体现。换句话说，PCSA是给芯片架构师和前端设计师看的。至于物理实现，遵循S家和C家的流程。
在大规模的SoC设计中，可以设计一个硬件模块来完成顶层的功耗控制逻辑，好处是可以针对芯片的应用领域或者使用场景，做一些定制化的方案。但是，这种做法存在一些问题，首先是灵活性不高；其次，还要考虑该模块如何配合操作系统的功耗管理软件/驱动（OS power managent，以下简称OSPM）。
ARM推荐的做法是用一个微控制器加上一些外围逻辑，做成一个独立的单元--系统控制处理器（system control processor，以下简称SCP）。既然是ARM家的，这个微控制器就是M或R系列的了，你懂的。在SCP中完成SoC的功耗管理（当然，SCP不仅仅完成这个工作）。为此，ARM又定义了一大堆的接口，组件和协议来配合，统称为“功耗控制框架（power control framework，以下简称PCF）”。
图1 SCP概念示意图
上图是ARM给出的一个带SCP的手机SoC系统方案。整个架构清晰明了，上层的应用处理器（application processor，简称AP）可以通过软件来给SCP发起服务（service）请求，左边Agent我们可以理解为其它子系统或者IP。作为中间层的SCP是由一个M系列的处理器构成的子系统，负责运行固件软件（firmware），向上可与AP通过设定好的接口/协议通信，接收服务请求，向下控制硬件单元，监控传感器，控制时钟和复位，管理电源等等。有了SCP，就能把一些任务从OSPM中抽离出来，更好的把软件和硬件隔离，增加了灵活性和安全性。SCP可以设计成层级式，分布式的，主SCP负责与上层通信，并控制子SCP。每个子SCP各司其职，控制不同的子系统或者是完成不同的任务。在实际项目中还没有见到这种分级SCP的设计方法，可能在异构中有用。
图2 简单功耗管理软件栈
上图是ARM给出的一个简单的功耗管理软件栈示意图，主要分为两部分，AP的功耗管理和设备的功耗管理。其中AP的功耗管理又分为idle管理和DVFS两部分。首先看idle管理，当AP处于idle状态时，OSPM可以根据需要关断时钟，下电且retention，或完全断电等多种操作。此时要保证断电的内核仍然可由操作系统进行调度，并且可以被中断唤醒。还有另外一种技术hot-plug。在这种情况下，AP核心将从操作系统可用于调度的池中移除。通过这种技术，内核被关闭，所有中断和软件线程被迁移到其它内核。这种技术既可以按需求比例使用，也可以在计算能力因功耗或散热受到限制的情况下使用。DVFS的基本概念就没啥可说的了，看过之前文章的同学应该都知道啦，《SoC设计之功耗 -- DVFS》。
设备的功耗管理可以是操作系统来控制（需要有驱动支持），也可以是自己控制，取决于具体的设计需求。
关于SCP固件的编写，可以参考ARM的官方文档，这部分留待以后再扒。
图3 Linux电源管理软件栈示例
在Linux内核中，EAS（energy aware scheduling）为内核调度提供了与内核空闲和集成频率控制的紧密联系。EAS还与使用IPA（intelligent power allocation）的热管理解决方案相关联。最后，EAS和IPA都与用户空间性能管理界面相关联。
图4 系统基础电源管理软件堆栈示例
系统的一个理想特性是操作系统独立于特定于平台的细节。这使得操作系统能够在不修改平台固件的情况下进行更新，甚至更改。类似地，这使得新的硬件平台能够运行未经修改的操作系统。高级配置和电源接口（advanced configuration power onterface， ACPI）是一个标准接口，在固件中实现，支持这种抽象。
估计很多人看到这里有点懵，一大堆的概念和名词，ARM到底想干什么？其实说白了，就是ARM配合着操作系统定义了一套自己的SoC功耗控制架构。如果是前端逻辑设计师，这块看看就好；如果是往系统架构设计方向发展，建议补一补操作系统的知识（别瞅别人，说的就是我）。
图5 PCF概念
根据ARM的定义，功耗控制框架（PCF）是标准基础设施组件、接口和相关方法的集合，可用于构建SoC功耗管理所需的基础设施。标准的基础设施组件包括电源、时钟和接口组件。上图中的LPI（low power interface）主要是指ARM的Q-channel和P-channel，前面有文章详细分析过Q-channel，忘了的同学可以往前翻翻，《SoC设计之功耗 -- Q channel》。
PPU（power policy unit）是一个硬件组件，支持SCP通过软件接口编程。
为了便于描述具体技术，ARM又区分了两个概念：电压域（voltage domain）和电源域（power domain）。电压域是指使用同一个电压源的模块合集，也就是说，如果几个模块使用相同的电压源，就认为这几个模块属于同一个电压域。ARM给出了几个系统电压域作为参考：
- 系统逻辑（System logic）
- 常开逻辑（Always-on logic）
- 处理器集（Processor Clusters）
- 图形处理器（Graphics Processor）
- 其它
图6 高端移动SoC电压域示意图
电源域是在同一个电压域内，共享相同电源开关逻辑的模块合集。就是说，在同一个电源域的模块被相同的电源开关逻辑控制，同时上电/下电（相对时间内）。一个电压域内的模块，可以根据设计需求，拆分到不同电源域。可以看出来，电压域的概念对应的是DVFS；而电源域的概念对应的是power gating。关于处理器的电源开关设计，可以参考下图：
图7 处理器电源域示例 – 逻辑视图
图8 处理器电源域示例 – 物理视图
最后，放一张ARM的SoC电压域和电源域划分示例作为参考。不同颜色表示不同的电压域，比如VBIG是大核处理器的电源供电，VGPU是图形处理器的电源供电，VSYS是系统电源。虚线框包围的模块表示可以做电源开关处理，比如处理器核；实线框包围的模块表示不能做电源开关，比如SCP。
图9 SoC电压域和电源域划分示例
这套PCF看起来一大堆的东西，其实跟前端设计相关性大的只有SCP（如果UPF不用前端设计师出的话，哈哈）。SCP处于AP和底层硬件模块之间，起到了承上启下的作用。当然，再强调一下，SCP的作用不仅仅是为了功耗控制。
图10 SCP架构示意图
从上图可以看出，SCP是一个完整的小系统，该有的组件一个都不少。首先，SCP里面要有一个处理器，并且要具备足够的处理能力。比如要能够管理AP在idle状态下的功耗；要能支持中断，以及中断优先级排序；要支持调试功能；要能够可信操作，等等。既然有了处理器，那就要有ROM，用于安全启动，还要有RAM，运行固件时需要。如果要支持DVS，就要有图中的Voltage Regulator Control单元。为了配合DFS，还要有时钟控制单元，用于管理PLL以及输出时钟信号。Messaging interface适用于OSPM和SCP之间通信的接口，常用的有mailbox和doorbell两种方式。关于AP与SCP通信，有一套完整的协议来支持，以后有时间慢慢分析，先记住有这么一个接口就好。
重点说一下PPU。PPU是为了控制SoC电源域用的，具体的数量和位置可以根据实际需要来定，比如可以做成分级式的或者分布式的。首先，PPU要提供一个配置接口给SCP，用于功耗策略控制和配置，目前用的是APB。其次，PPU与设备之间的控制接口，包括低功耗接口（low power interface，简称LPI），若干组Q-channel和一组P-channel，还有时钟/复位控制。最后，还有一个与功耗状态机之间的接口，P-channel。
图11 PPU接口
PPU在系统中的集成方式可以参考下图，虚线框包围的部分表示该模块依赖具体实现。
图12 PPU在系统中集成示意图
PPU支持的power mode如下，其中ON/OFF/Warm Reset是必须支持的，其它备选。各种mode之间的切换，PPU配置，寄存器说明等细节请参考PPU的文档。
其实个人感觉，PPU设计的有点复杂了，完全可以根据项目需要设计一个相对简洁的版本。
关于时钟，电源和复位的控制，ARM有如下的建议。先看时钟门控部分，首先分为三级控制，high，mid和low。这个理念并不是ARM提出的，忘记基本概念的同学可以翻看前面讲clock gating的文章，《SoC设计之功耗 -- Clock Gating》。
图13 clock gating设计层级示意图
我们只看high level的，受控组件通过Q-channel与时钟控制器进行握手，一旦握手达成，时钟控制器给出控制信号，决定是否要关断时钟。这里再次强调一下，Q-channel和P-channel就是一组用于时钟/功耗控制的握手接口，必须要有其它控制逻辑。
图14 clock gating逻辑设计示意图
电源控制部分和时钟部分类似，就是多了一个上面提到的PPU。多提一句，PPU可以与被控制部分放在一起，也就是分布式设计，如下图。
图15 分布式PPU设计
好了，现在闭上眼想一下，如果你的SoC里面同时有异步时钟，clock gating，DVFS，power gating，顶层设计和物理设计是不是会很复杂？你品，细品，慢慢品。
其实ARM也给了一些相关的设计建议，一方面这些建议基本都是现阶段业内的标准做法，并没有太多的新奇东西，另一方面图也比较多，所以就不贴了。想了解这部分细节的同学请去翻ARM的文档吧，哈哈。
今天先扒一半，还剩下一半内容，主要是关于ARM的IP在PCSA里面怎么考量，以后再扒。
作者：老秦谈芯
来源：https://mp.weixin.qq.com/s/r_lGWX_pT52f5kWkKUzolg
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