ARM SoC功耗控制架构

鸣涧

ARM SoC功耗控制架构



1， 介绍


    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。    前面的文章讲述了linux侧的功耗软件管理框架（详见前面的文章《一文搞懂linux电源管理（合集）》），但是这些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。


2， 框架

2.1 基于ARM的软硬件管理框架

    基于ARM的功耗软、硬件管理框图：

    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。

2.2 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。


2.3 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）和电压域（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。



参考资料：

Low Power Design in SoC Using Arm IP (design-reuse.com)

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 (aijishu.com)

Arm SoC功耗控制架构.pdf-原创力文档 (book118.com)