Perface
最近在做验证，有个待机启动小组的成员给我说最新的逻辑版本总线不支持P-Channel，需要换个版本。
我就挺纳闷这个玩意是啥？之前低功耗看过一点点知识，是关于Linux电源管理的。
这必须得看一下，免得逻辑忽悠我，于是就找了点资料，这里记录学习一下。
但是按照学习习惯，一定是先站在宏观的角度去看一下整个芯片的电源管理架构【ARM】。
内容为学习笔记，来自几位前辈的博客，非原创，链接见文中与文末。
随着芯片的集成化程度提升，很多模块都做到芯片的内部，比如isp、dsp、gpu，这样做成片上系统（System on Chip，简称SoC），好处是整个系统功能更内聚，板级面积会减少，但是芯片的体积却越来越大。
为了减少芯片面积、降低芯片成本、减少芯片功耗，逐渐地提升了芯片的工艺，从而降低了功耗，提升了能耗比。
光靠工艺的提升来减少功耗，还不够。
为了更好地功耗管理，ARM提出了功耗控制系统架构（power control system architecture，简称PCSA），用来规范芯片功耗控制的逻辑实现。
PCSA基于ARM的组件实现，规范包括：
- 电压、电源和时钟的划分；
- 电源的状态和模式；
- ARM 电源控制框架和集成规范；
- ARM 特定组件的电源和时钟集成；
- 带有低功耗Q-channel和P-channel接口的IP。
软件功耗管理都是基于芯片的相应功能实现的，接下来我们看一看这个PCSA具体由哪些部分组成，通过这些组成与整个功耗控制框架的学习，了解芯片上的低功耗是如何设计的。
文末注明参考资料出处，有一些无伤大雅小错误已更正，资料都是干货，致敬！
框架
基于ARM的软硬件管理框架
- 首先用户发起的一些操作，通过用户空间的各service处理，会经过内核提供的sysfs，操作cpu hotplug、device pm、EAS、IPA等。
- 在linux内核中，EAS（energy aware scheduling）通过感知到当前的负载及相应的功耗，经过cpu idle、cpu dvfs及调度选择idle等级、cpu频率及大核或者小核上运行。
- IPA（intrlligent power allocation）经过与EAS的交互，做热相关的管理。
- Linux kernel中发起的操作，
- 会经过电源状态协调接口（Power State Coordination Interface，简称PSCI），
- 由操作系统无关的framework（ARM Trusted Firmware，简称ATF）做相关的处理后，
- 通过系统控制与管理接口（System Control and Management Interface，简称SCMI），
- 向系统控制处理器（system control processor，简称SCP）发起低功耗操作。
- SCP最终会控制芯片上的sensor、clock、power domain、及板级的pmic做低功耗相关的处理。
功耗控制框架
在SoC设计中，需要一个硬件模块能够配合操作系统的功耗管理软件或驱动，来完成顶层的功耗控制，这个硬件模块可以是硬件电路，也可以是一个低功耗的处理器。
考虑到灵活性，这个硬件模块一般是一个微处理器核（比如cortex-M0）加上一些外围逻辑电路做成的功耗控制单元（SCP）。
为了SCP能够完成SoC的功耗管理，又定义了一个功耗控制框架（power control framework，简称PCF），PCF包含了一些接口、组件、协议来配合SCP做整个SoC的功耗管理。
PCF是用于构建SoC功耗管理所需的标准基础设施组件、接口和相关操作方法集合。
其中，标准基础设计组件包括电源、时钟和接口组件。
比如：支持SCP通过软件接口编程的电源策略单元（power policy unit，简称PPU），用于低功耗控制的低功耗接口（low power interface，简称LPI）。
1） PPU
PPU实现了软件控制power domain开关控制的功能，SCP向PPU发起对power domain的开、关操作，其中PPU会通过LPI向power domain发起复位/解复位、时钟开/关、电源隔离开/关的操作，然后PPU经由电源控制系统状态机（power control state machine，简称PCSM）控制power domain电的开、关。
2） LPI
LPI主要是指ARM的Q-channel和P-channel。Q-channel是ARM公司定义的一个低功耗接口，接口很简单，只有四根线。
从AXI的低功耗接口演变过来的，其用处是控制设备静止状态时的时钟和电源。控制器可以根据设备的工作状态或系统状态，发起低功耗请求。
设备可以根据自己的工作状态，从而决定是否接受请求。相比Q-channel，P-channel把PACTIVE信号加宽了，不再是一根信号，设备可以传递更多的工作状态给控制器。控制器会额外多发出一组PSTATE信号，描述切换power状态的请求。
电源域和电压域
为了更好地对电进行控制，ARM划分了两个电相关的概念：
- 电源域（power domain）
- 电压域（voltage domain）。
电压域指使用同一个电压源的模块合集，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。
电源域指的是在同一个电压域内，共享相同电源开关逻辑的模块合集。
即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、下电。
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。
因此，电压域对应的是功能是dvfs，而电源域的概念对应的是power gating。
如下图，不同颜色表示不同的电压域，
- VBIG是大核处理器的电源供电，
- VLITTLE是小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。
来自：黑客与摄影师
AMBA提供了，低功耗的接口。用于实现power控制功能。目前，AMBA里面，包含2种低功耗接口。
- ◾Q-Channel：实现简单的 power控制，如上电，下电。
- ◾P-Channel：实现复杂的 power控制，如全上电，半上电，1/4上电等。
ARM引入这2种低功耗接口，是为了满足不同的应用场景下，对power的控制。
在一些场景下，组件只有两种power状态，分别为power-up，power-down。因此对这种组件的power控制，只需要对其上电，断电即可。用Q-Channel，即可实现。
而在另外的场景下，组件拥有多种power状态，比如全上电，半上电，1/4上电等。因此对这种组件的power控制，就要复杂很多，不能简单的对其上电，断电即可，还需要额外的一些控制。此时，用Q-Channel，就不合适了，需要使用P-Channel。
嵌入式设备就没有什么s3、s4这些说法。但是像手机、电脑设备就会有。
比如在DynamlQ技术中，引入了L3 cache，并且每个core拥有自己的L1 cache，L2 cache，这样，整个系统中，cache的容量就变大了，相应的，消耗在cache上的功耗，也增多了。
此时，就需要复杂的对cache的power控制，来实现低功耗，比如对L3 cache，1/4上电，也就是只有1/4的L3 cache工作，其余的都断电，以此来节省功耗。此时，就要用到P-Channel。
下面首先来看看Q-Channel。
Q-Channel
Q-Channel是从AXI的低功耗接口中，演变过来。但是可以向后兼容。
1、接口
以下是Q-Channel的接口：
分为device端和power controller端（下文均简称为PMU）。
- device端，就是需要被电源控制的组件，比如core，外设等。
- PMU端，就是提供电源管理的组件。
在Q-Channel中，将device的power状态，分成了2种，
- ◾operational状态：device处于工作状态，简单理解为上电状态，下文称为上电状态
- ◾quiescent状态：device处于停止状态，简单理解为断电状态，下文称为断电状态
接口如下：
2、Q-Channel接口的握手状态
ARM对Q-Channel的interface，定义了几种握手状态：
- ◾Q_RUN: device处于上电状态。
- ◾Q_REQUEST：device处于上电状态，但是在idle状态时，可以接收power request，进入断电状态。
- ◾Q_STOPPED：device进入了断电状态。
- ◾Q_EXIT：等待被提供时钟或者power的状态。当device得到外部提供的时钟或者power时，将QACCEPTn拉高，进入Q_RUN状态。
- ◾Q_DENIED: device拒绝外部power的请求，不进入断电状态，而保持上电状态。
- ◾Q_CONTINUE：PMU在Q_DENIED状态后，将QREQn拉高后的状态。
以下是编码：
下图是各个握手状态的切换：
对于握手信号，有以下的规则：
- ◾QREQn只能在QACCEPTn为高并且QDENY为低时，才可以从高变为低。
- ◾QREQn满足以下条件，才可以从低变为高
- ◾QACCEPTn和QDENY都为低
- ◾QACCEPTn和QDENY都为高
- ◾QACCEPTn只能在QREQn和QDENY都为低情况下，才可以从高变为低
- ◾QACCEPTn只能在QREQn和QDENY都为高情况下，才可以从低变为高
- ◾QDENY只能在QREQn和QACCEPTn都为高情况下，才可以从高变为低
- ◾QDENY只能在QREQn为低并且QACCEPTn为高情况下，才可以从低变为高
上面的这些原则，在设计P-Channel时，需要遵守的。
3、Q_Channel的握手协议
3.1、device接受PMU的power请求
以下是握手协议时序图：
- 在T1，QREQn和QACCEPTn为高，Q_Channel进入Q_RUN状态。
- 在T2，QREQn为低，PMU请求device进入断电状态，然后等待外设响应，此时Q_Channel进入Q_REQUEST状态。
- 在T3，QACCEPTn为低，表示device接收PMU的请求，将自己进入断电状态。此时Q_Channel进入Q_STOPPED状态。
- 在T4，QREQn为高，PMU请求device进入上电状态，然后等待外设响应。此时Q_Channel进入Q_EXIT状态。
- 在T5，QACCEPTn为高，表示device接收PMU的请求，将自己进入上电状态。此时Q_Channel进入Q_RUN状态。
3.2、device拒绝PMU的power请求
- 当外部PMU给device发送power请求，device可以拒绝该power请求。
- PMU收到device的拒绝响应后，应取消该power请求。
- 在T1，QREQn和QACCEPTn为高，Q_Channel进入Q_RUN状态。
- 在T2，QREQn为低，PMU请求device进入断电状态，然后等待外设响应，此时Q_Channel进入Q_REQUEST状态。
- 在T3，QDENY为高，表示device拒绝PMU的请求，自己保持上电状态。此时Q_Channel进入Q_DENIED状态。
- 在T4，PMU接收到device的拒绝响应，将QREQn拉高，PMU请求device进入上电状态，然后等待外设响应。此时Q_Channel进入Q_CONTINUE状态。
- 在T5，QDENY为低，表示device接收PMU的上电请求，将自己保持上电状态。此时Q_Channel进入Q_RUN状态。
4、device复位信号与Q_Channel的结合
复位信号，需要和Q_Channel的信号，进行组合。一般来说，复位信号，也会由PMU来控制。
组合分为以下2种情况。
4.1、RESETn复位无效时，QREQn为低
- T2时刻，RESETn为高，复位取消。
- T3时刻，QREQn为高，PMU向device请求上电。Q_Channel进入Q_EXIT状态。
- T4时刻，QACCEPTn为高，device接受PMU的上电请求。Q_Channel进入Q_RUN状态。
- T5时刻，QREQn为低，PMU向device请求断电，Q_Channel进入Q_REQUEST状态。T6时刻，QACCEPTn为低，device接受PMU的断电请求。Q_Channel进入Q_STOPPED。
- T7时刻，将RESETn拉低。
4.2、RESETn复位有效时，QREQn为高
- T2时刻，QREQn拉高，PMU向device请求上电。Q_Channel进入Q_EXIT状态。
- T3时刻，因为RESETn为低，复位有效，device将QACCEPTn保持为低，Q_Channel保持Q_EXIT状态。
- T4时刻，因为RESETn为高，复位无效。device将QACCEPTn拉低，响应PMU的上电请求。Q_Channel进入Q_RUN状态。
- T5时刻，QREQn拉低，PMU向device请求断电，Q_Channel进入Q_REQUEST状态。
- T6时刻，device将QACCEPTn拉低，响应PMU的断电请求。Q_Channel进入Q_STOPPED状态。
- T7时刻，RESETn拉低。
5、QACTIVE
QACTIVE，是提供给device，给PMU发送power请求的信号。可以由多个来源的组合。如果为高，那么PMU要给自己上电，并且之后，不能给自己断电。
QACTIVE和握手信号（QREQn，QACCEPTn，QDENY）是独立开的。
5.1、请求上电和请求下电
- T1时刻，device将QACTIVE拉高，向PMU发起退出断电请求。T2时刻，PMU将QREQn拉高，Q_Channel进入Q_EXIT状态，T3时刻，进入Q_RUN状态。
- T4时刻，device将QACTIVE拉低，device向PMU发起进入断电请求。T5时刻，PMU将QREQn拉低，Q_Channel进入Q_REQUEST状态，在T6时刻，进入Q_STOPPED状态。
5.2、PMU不允许断电
- T1时刻，device将QACTIVE拉高，向PMU发起上电请求。T2时刻，PMU将QREQn拉高，Q_Channel进入Q_EXIT状态，T3时刻，进入Q_RUN状态。之后，device处于上电状态。
- T4时刻，PMU将QREQn拉低，PMU想让device进入断电状态，但是QACTIVE为高，表示device要一直处于上电状态。因此QACCEPTn持续保持高，Q_Channel一直维持在Q_REQUEST状态。device维持在上电状态。
- T5时刻，因为之前QACTIVE拉低，device想进入断电状态，device将QACCEPTn拉低，响应PMU的断电请求，然后Q_Channel进入Q_STOPPED状态。device进入断点状态。
6、Q_Channel的实现
一般来说，device和PMU的时钟是异步时钟。因此，需要一些同步化。
下图是同步化的框图：
ARM提供了以下的一些实现指导：
- ◾被使用的所有信号，都需要进行同步化
- ◾只有当Q_Channel进入Q_STOPPED状态是，才可以将时钟和power给关掉
- ◾为了保证握手信号的正确性，QREQn，QACCEPTn，QDENY需要使用寄存器直接输出
- ◾QACTIVE使用寄存器直接输出，或者是相关寄存器输出的组合输出。ARM强烈建议组合输出，使用或门。
7、Q_Channel的向后兼容
Q_Channel是从AXI的低功耗结构，演化过来。但是Q_Channel也可以兼容AXI的低功耗接口。
如下图，device使用AXI的低功耗接口，PMU使用Q_Channel。只需要按照如下的连接进行连接即可。
如下图，device使用Q_Channel，PMU使用AXI的低功耗接口，只需要按照如下的连接进行连接即可。
P_Channel
为了满足复杂的power管理的需求，arm提供了P_Channel的低功耗接口，来满足这样的应用场景。
P_Channel，提出了一个概念，叫power state transition，power状态的切换。在P_Channel的应用场景中，power的状态有很多，这个是实现自己定义的。
power的各个状态之间，是可以切换的。
2个最基本的状态：
- lower-power状态：在这个状态下，power消耗比较少，device处于低功耗状态（具有部分功能）
- higher-power状态：在这个状态，power消耗比较大，device处于正常状态（具有完整功能）
1、接口
以下是P_Channel接口。
分为device端和power控制端（下文简称PMU）。
- PACCEPT和PDENY在握手中，只能有一个为高。PACCEPT表示接受请求，PDENY表示拒绝请求。
- PACCEPT，PDENY，PREQ，PSTATE，必须是从寄存器直接输出。
2、P_Channel接口握手状态
对P_Channel的接口，arm也定义了一些握手状态。不过状态，有加入了RESETn信号的影响。
- P_RESET：device处于reset状态
- P_STABLE: device处于非reset状态，并且PMU没有发送power状态切换请求
- P_REQUEST：PMU向device发送power状态切换请求
- P_ACCEPT：device接受PMU的power状态切换请求
- P_DENIED：device拒绝PMU的power状态切换请求
- P_COMPLETE：device接受PMU的power状态切换请求后，PMU取消power状态切换请求
- P_CONTINUE: device拒绝PMU的power状态切换请求后，PMU取消power状态切换请求
编码：
以下是状态转移图：
握手协议规则：
- PREQ只有在PACCEPT和PDENY都为低情况下，才可以从低变为高
- PREQ要满足以下的任意条件，才可以从高变为低：
- PACCETP是高，PDENY为低
- PACCEPT为低，PDENY为高
- PSTATE满足以下的任意条件，才可以变化：
- PREQ，PACCEPT，PDENY都为低
- PREQ和PDENY为高，PACCEPT为低
- PACCEPT只有在PREQ为高，并且PDENY为低，才可以从低变为高
- PACCETP只有在PREQ为低，并且PDENY为低，才可以从高变为低
- PDENY只有在PREQ为高，并且PACCEPT为低，才可以从低变为高
- PDENY只有在PREQ为低，并且PACCEPT为低，才可以从高变为低
3、P_Channel的握手协议
握手协议，涉及到PREQ，PSTATE，PACCEPT，PENDY这4个信号。
3.1、device接受power状态切换
下图是该时序图：
在T2时刻之前，P_Channel处于P_STATBLE状态。
- T2时刻，PMU拉高PREQ，将PSTATE置为STATE B。向device发送power状态切换请求，请求将device切换到STATE B的power状态。P_Channel进入P_REQUEST状态。
- T3时刻，device将PACCEPT拉高，表示接受PMU的power状态切换请求。P_Channel进入P_ACCEPT状态。
- T4时刻，PMU接收device的PACCEPT响应，拉低PREQ，取消请求。P_Channel进入P_COMPLETE状态。
- T5时刻，device将PACCEPT拉低，表示完成power状态切换。P_Channel进入P_STABLE状态。
3.2、device拒绝power状态切换
下图是时序图：
- T2时刻以前，P_Channel处于P_STABLE状态。
- T2时刻，PMU将PREQ拉高，将PSTATE置为STATE B。向device发送power状态切换请求，请求将device切换到STATE B的power状态。P_Channel进入P_REQUEST状态。
- T3时刻，device将PDENY拉高，表示拒绝PMU的power切换请求。P_Channel进入P_DENIED状态。
- T4时刻，PMU接收到device的PDENY响应，将PREQ拉低，取消请求，并且把PSTATE置为STATE A。P_Channel进入P_CONTINUE状态。
- T5时刻，device将PDENY拉低，P_Channel进入P_STABLE状态。
4、device的复位和初始化
device在复位时，必须将PACCEPT和PDENY置为低，但对PACTIVE没有要求。
P_Channel的状态为P_STABLE时，device的复位信号，才可以设置为有效。
当device的复位无效时，device要进入初始化，此时PMU要设置PSTATE信号值，device会在复位之后，采样该信号值，从而采用合适的初始化流程。PSTATE要在复位信号无效后要保持稳定。
device，要提供一个初始化周期时间，tinit。用来表示，复位之后，PSTATE需要保持多久时间，供device初始化使用。PSTATE在tinit时间之内，必须要保持稳定。
以下是时序图：
- T1时刻之前，RESETn为低，复位有效，P_Channel处于P_RESET状态。
- T1时刻，RESETn为高，PMU将PSTATE置为STATE A。P_Channel进入P_STABLE状态。
- T2时刻，由于tinit的限制，PMU要将PSTATE一直保持在STATE A，以便device正确的初始化。device必须要在tinit时间内，采样PSTATE。此后，PMU就可以发送power切换请求了。
- T3时刻，PMU将PREQ置高，并且将PSTATE置为STATE B，发送power切换请求。P_Channel进入P_REQUEST状态。
- T4时刻，device将PACCEPT拉高，表示接受PMU的power状态切换请求。P_Channel进入P_ACCEPT状态。
- T5时刻，PMU接收device的PACCEPT响应，拉低PREQ，取消请求。P_Channel进入P_COMPLETE状态。
- T6时刻，device将PACCEPT拉低，表示完成power状态切换。P_Channel进入P_STABLE状态。
- T7时刻，P_Channel在P_STATBLE状态，可以进行复位，外部拉低RESETn，P_Channel进入P_RESET状态。
下图，展示了，当复位时，PMU发送power切换情况的时序图。
- T1时刻，PMU将PREQ拉高，并置PSTATE为STATE A，但是复位信号有效，device不接收PMU请求。P_Channel保持为P_RESET状态。
- T2时刻，复位信号释放，因为PREQ为高，P_Channel进入P_REQUEST状态。device接收PMU的power切换请求。
之后的就和上面的分析原理是一样的了。
下图，展示了，复位后，PMU发送使device进入STATE A的power状态请求，当该转换完成后，PMU又继续发送使device进入STATE B的power状态请求。
PMU在发送下一个power切换请求前，必须保证上一个power切换请求，传输完毕。
5、多个power状态切换
利用P_Channel，PMU可以使device，来回切换不同的power状态。
在T0，device处于STATE A状态。
在T1到T4，通过P_Channel，使device进入STATE B状态。在T4，P_Channel进入P_STABLE状态。
在T5-T8，通过P_Channel，使device进入STATE C状态。在T8，P_Channel进入P_STABLE状态。
6、PACTIVE
PACTIVE，提供给device给PMU发送请求。PACTIVE的每一个bit，表示一种请求。bit为高，表示device发送请求给PMU，让PMU处理，bit为低，表示device没有发送请求给PMU处理。
PACTIVE和握手协议，是独立开的。PACTIVE是设计自定义的，请求完全自己定义。当然，也可以不使用PACTIVE，如果不是用PACTIVE，需要将PACTIVE置为0。
以下是PACTIVE的例子：
PACTIVE有3个bit，每个bit，映射到一个power状态，MSB具有高优先级。
- PACTIVE[2]: STATE C
- PACTIVE[1]: STATE B
- PACTIVE[0]: STATE A
T1时刻，device将PACTIVE设置为3'b011，表示device向PMU发送power切换请求，将自己切换为STATE B。
PMU接收到device的请求后，从T2到T5，向device发送power切换请求，并且切换到STATE B状态。最后P_Channel进入P_STABLE状态。
T6时刻，device将PACTIVE设置为3'b111，表示device向PMU发送power切换请求，将自己切换为STATE C。
PMU接收到device的请求后，从T7到T10，向device发送power切换请求，并且切换到STATE C状态。最后P_Channel进入P_STABLE状态。
7、对于device，需要提供的信息
为了PMU的设计的正确性，device需要向PMU提供以下的一些信息：
- device支持的power状态，包括以下：
- PSTATE定义和编码
- PACTIVE每个bit代表的请求
- 用于初始化power状态，推荐的PACTIVE输出
- PACTIVE需要被忽略，或者一直置0的bit信息
- power状态的切换，包括以下：
- power状态切换之后的device行为
- device拒绝power状态切换的条件
- 复位释放后，用于初始化device的PSTATE的合理值
- tinit值
8、实现
对于device和PMU来说，有各自的时钟，因此他们的时钟，是当成异步来进行处理的，所以需要同步化的操作。
下图展示了，P_Channel的实现框图：
对于PSTATE，PREQ，PACCETP，PDENY，需要从寄存器直接输出，在接收端，需要使用同步器，对异步输入信号进行同步化输出。
对于PACTIVE，如果是多个来源的组合，ARM建议使用或门来实现。并且每个对PACTIVE贡献的来源，必须是寄存器直接输出。
9、P_Channel使用例子
以下是P_Channel使用的2个例子。
9.1、独立的power domain使用P_Channel
- device0处于power domain0，PMU使用PD0来控制。
- device1处于power domain1和power domain2，PMU使用PD1和PD2来分别控制。
9.2、父子关系的power domain使用P_Channel
device1内部有3个power domain，分别为power domain0，power domain1，power domain2，但是domain0是domain1和domain2的父domain，也就是domain0控制domain1和domain2。
PMU和device1有3个P_Channel接口，但是都是在power domain0中。
参考资料
- Low Power Design in SoC Using Arm IP
- ARM Cortex-A57 MPCore Processor Technical Reference Manual r1p3
- ARM系列 -- PCSA（一） - 极术社区 - 连接开发者与智能计算生态
- Arm SoC功耗控制架构.pdf-原创力文档
- https://aijishu.com/a/1060000000119127
- http://www.lujun.org.cn/?p=3606
- https://www.zhihu.com/question/353040736
- https://www.wowotech.net/pm_architecture.html
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/580754972
- http://www.lujun.org.cn/?p=3634
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/580754972
作者：Hcoco
文章来源：TrustZone
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