这篇是ARM电源管理系列文章中的一篇。
之前在讲PCSA的时候提到过PPU（Power Policy Unit），这是一个用于电源管理的组件（也可以说是一个小IP）。系统控制器通过这个组件来管理SoC中其它设备的电源。
对于PPU在SoC中的集成，可以在前面PCSA的文章中看到，今天重点是看一下PPU里面到底包含哪些内容。
PPU作为一个电源管理的组件，提供了系统控制与设备间的电源握手协议，真正的底层控制部分放在了外面，需要一个额外的状态机辅助完成。这也好理解，对于不同的设备，可能需要的电源控制场景不尽相同，比如有的模块可能只做时钟关断（clock gating），有的模块需要实现电源关断（power gating），在关闭设备电源的情况下，又可以区分多种细分需求，比如是不是要做逻辑或者存储的状态保留（retention）；逻辑和存储是不是可以分别关断等等。各种条件做一下排列组合，可能会有很多种需求。举个例子，拿CMN中的系统缓存（HN-F）来说，逻辑部分，snoop filter（SF）部分，SLC RAM部分的电源可以分别控制；SLC RAM部分支持ON/OFF/RET三种电源状态，而且SLC RAM在物理上分为两个bank，可以选择开一个bank，也可以选择两个bank全开；SF部分也支持MEM_RET。所有的情况如下图：
上面只是举了一个例子，实际系统中的不同设备的电源控制会更复杂，所以也很难让一个IP顾全这么多。因此需要根据实际需求单独实现底层控制，也就是下图中的PCSM（Power Control State Machine）。诸如电源开关，retention控制（save/restore）这些控制逻辑都是PCSM完成的。
从上图我们也能看出PPU的接口：
- 首先，要有系统控制器的配置通路，也就是要有一个寄存器访问接口，这个接口可能是APB或者其它的总线接口
- 其次，PPU要具备发送中断的能力，处理完一次电源管理事件后要能够通知给系统控制器，没有中断途径的话，系统控制器只能不断的去查询PPU状态，无疑会降低效率
- PPU与被管理的设备间需要一个通信接口，就是上图中的LPI（Low Power Interface），要么是Q-channel，要么是P-channel，取决于需要实现的具体功能是什么。如果PPU与设备间的接口是Q-channel，那么这个PPU也可以被称作Q-channel PPU；如果PPU与设备间的接口是P-channel，那么这个PPU也可以被称作Q-channel PPU。之所以要加以区分，是因为这两种PPU的配置是不一样的，且支持的模式也不一样，后面会讲
- PPU还会提供时钟控制，复位和隔离控制（如果需要实现电源关断）给被管理的设备，如果PPU只是辅助完成时钟管理，那么isolation是不需要的
- 最后，就是与PCSM的接口，PPU通过P-channel来告诉PCSM当前的状态，PCSM根据PPU的状态决定何时控制电源关断，retention控制（如果需要的话）
PPU里面有两个模式：电源模式（power mode）和操作模式（operating mode）。电源模式是一个电源域里逻辑和RAM电源状态的正常组合，以及相关的时钟、复位和隔离控制。而操作模式代表电源模式的配置。这话听起来有点拗口，通俗一点的解释，电源模式就是我们常说的ON/OFF/RET（retention）这些。那为什么还要操作模式呢？对于OFF来说没啥可以再细分的了，但是对于ON或者RET来说，情况也许会复杂，回想一下前面提到的HN-F例子。把这些细分的场景也归入电源模式行不行呢？可以是可以，但是会把事情搞的复杂，还不如用操作模式去描述这些细分场景。PPU里面的电源模式和操作模式是为了理清PPU设计，与UPF里面的power state完全不是一码事，不要混淆（不要问我为什么会混淆…）。
接下来慢慢扒一扒电源模式和操作模式。PPU支持的电源模式见下表，除了ON/WARM_RST/OFF是必须支持的，其它都是可选。大部分电源模式都是比较直观的，除了OFF_EMU和MEM_RET_EMU特别一点。
- OFF，logic和RAM电源关闭，全部状态消失，对应的工作场景就是芯片下电停止工作
- ON，logic和RAM的电源开启，对应的场景是芯片正常工作状态
- WARM_RST，电源开启，但是logic处于复位状态，对应的场景是芯片某些模块刚刚完成上电启动，等待复位信号被释放，或者芯片工作过程中某些模块需要热复位，恢复到初始状态
- OFF_EMU，logic和RAM的电源开启，但是电源模式是OFF状态，也就是字面意义的“模拟OFF”，可能的场景之一是，在芯片调试时，某些模块需要被置于OFF状态，但是又不能断电，否则这些模块不能被访问了
- FULL_RET，logic和RAM处于retention状态
- LOGIC_RET，logic处于retention，RAM关闭
- MEM_RET，logic关闭，RAM处于retention
- 其它的就不一一分析了
再来看操作模式，以下图为例，纵轴是电源模式，横轴是操作模式。绿色代表电源开启，黄色代表retention，红色代表电源关闭，网格代表复位，其中RAM可以分成两个部分，分别以及控制。也就是说RAM可以全开，可以全关，也可以开一半关一半，或者开一半而另一半retention，等等（是不是有点像前面提到的CMN的SLC例子）。比如在电源模式是ON的时候，如果模块全速工作，也就是全部RAM打开，操作模式为OPMODE_02；如果RAM开一半关一半（为了省电），操作模式为OPMODE_01；RAM全部关闭，只保留逻辑部分能正常工作，操作模式是OPMODE_00。相信有了这些讲解，大家都能看懂这张图。
对于不同的电源模式下，操作模式的编码含义也不一样。有些电源模式没有操作模式，比如OFF，都已经关电了，就没必要再细分了。
PPU的电源模式和操作模式编码如下，PSTATE的低4bit代表电源模式，高4bit代表操作模式。
介绍完两种模式，一个自然而然的问题就是，模式间怎么转换？还是分开来说，电源模式的转换分为静态转换和动态转换两种。所谓静态转换，就是通过软件来设置电源策略（power policy），PPU按照设置来执行；动态转换就是通过软件设置一个最小的电源模式，PPU可以动态变换电源模式。前面说过，不管是Q-channel PPU还是P-channel PPU，都支持电源模式，但是在电源模式转换上还是有一些不同，大家可以想想是为什么。
作为输入信号，用于结合软件设置启动和控制电源模式转换。在静态转换时，对于Q-channel PPU，除去ON和WARM_RST之间，其它电源状态转换都要求DEVACTIVE为低；对于P-channel PPU，需要遵守优先级规则。动态电源模式转换时，除了更改编程策略外，还可以通过更改电源模式DEVACTIVE输入来实现模式转换。在动态电源模式转换时，PPU还提供一种“锁定”功能。具体的软件操作就不讲了，感兴趣的去看手册。
操作模式的转换只发生在特定的电源模式转换中。有些电源模式没有操作模式。
关于电源模式和操作模式的设定，系统控制器通过前面提到过的配置接口，写PPU_PWPR（Power Policy Register）这个寄存器来完成。有一些模式组合不被PPU支持，手册里有具体的描述。
重点再来看看PPU的中断，PPU会在下列事件发生后产生中断，当然这些中断也可以通过事先写PPU_IMR（Interrupt Mask Register）寄存器来屏蔽掉。
前面也提到过，PPU与设备间的LPI接口类型决定了PPU的类型。如果是Q-channel PPU，可以配置有1-8个Q-channel来连接多个设备；如果是P-channel PPU，那么只能配置1个P-channel，连接一个设备。说到这，不得不再唠叨一下PPU在系统中的用法了。PPU与设备间的控制信号有时钟，复位和隔离，关于电源控制部分（power switch和retention）则是在PCSM。在电源控制角度来说，控制模块的电源开关必然要控制这个模块的时钟和复位，但是反过来就不必须。所以，如果只用PPU做时钟管理，不考虑电源开关，在这种情况下，Q-channel就足够了，而且一个PPU最好能够控制多个关联设备；如果是用PPU做电源管理，且场景复杂的话，就必须用P-channel来通信，支持更多的状态，而且一个PPU只能控制一个模块，否则多个模块状态混在一起，其状态数量不可控了。PPU与设备间的控制接口可以通过两种方式设置delay，第一种是在配置产生PPU的时候设置好，第二种是系统控制器在运行过程中写PPU_DCDR（Device Control Delay Configuration Register）寄存器。
对于不太大的SoC，全部的PPU可以全部直接挂在系统控制器下面；SoC设计规模比较大的话，也可以把PPU与被控制设备放在一起，必要的时候，PPU的软件接口可以挂在系统总线上。
综上，PPU的功能还是挺强大的，尤其是再考虑PPU级联方式，是能够胜任大SoC的电源管理工作的。
原文链接：老秦谈芯
作者：老秦谈芯
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