ARM SoC芯片上的低功耗是如何设计的
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。
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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
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