电源管理入门-21 SoC芯片中的电源管理

这里以ARM为例来进行说明，我们在做驱动软件的时候，就需要跟硬件SoC里面的IP打交道，通过操作寄存器来实现硬件功能。之前的文章XXX中3和4章节已经进行了简单介绍，这里再重点参考"老秦谈芯"进行一下补充。

1. 关于PCSA和SCP

参考：ARM系列 -- PCSA（一） ARM系列 -- PCSA（二）ARM系列 -- PPU

SCP直接控制SoC的电源和时钟，而AP通过硬件和软件接口协同管理。

芯片设计，要完成整个芯片的电源管理，需要软硬件结合。一般，上层软件部分交给操作系统（Linux和Android等）；下层软件由固件（Firmware）实现；硬件部分由SCP，MHU，PPU这些模块构成，当然Core也需要有相关的硬件支持。这也就是所谓的分层管理机制。

ARM官方PCSA规定了SCP： PCSA ARM官方文档

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）"。

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。

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。

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，PPU（power policy unit）是一个硬件组件，支持SCP通过软件接口编程。

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。

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

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。

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。

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

Cluster的上电过程如下上图，图中的delay取决于具体设计需要：

1. SCP发出唤醒；
2. SCP拉低ACINACTM或SINACT；
3. SCP对PPU操作：
   • 1. PPU打开cluster的电源开关
   • 2. PPU拉高ISOLATEn，无效isolation cell
   • 3. PPU拉高CLKEN，使能clock gating
   • 4. PPU拉低RESETn，使cluster进入复位
   • 5. PPU发出Q-channel静止退出的请求
   • 6. PPU拉高RESETn
   • 7. PPU等待Q-channel握手返回
   • 8. PPU发中断给SCP9) SCP拉低AINACTS

关于SCP的系统启动：

2. 关于PSCI和SCMI

参考：PSCI官方文档 SCMI官方文档 ARM系列 -- PSCI
ARM系列 -- CSS Message Interface Protocols
ARM系列 -- SCMI

PSCI（Power State Coordination Interface），翻译一下就是"电源状态协作接口"。从名字就能直观看出来，PSCI是一套电源管理的标准接口，可用于操作系统在ARM设备上以不同权限级别监控管理电源。

PSCI提供一套API来协调电源管理，如下：

• PSCI_VERSION：可以调用此API得到当前PSCI的版本信息；
• CPU_SUSPEND：OSPM调用此API使处理器核进入低功耗模式；
• CPU_OFF：此API用于hotplug，从系统中动态移除某个处理器核。被CPU_OFF移除的处理器核只能通过CPU_ON再次加载。与CPU_SUSPEND不同的是，这个接口函数不需要返回值；
• CPU_ON：此API用于动态加载处理器核；
• AFFINITY_INFO：此API允许调度方查询亲和实体（affinity instance）的状态；
• MIGRATE：用于将受信任的操作系统（trusted OS）迁移到另一个处理器核，从而原处理器核可以调用CPU_OFF关闭电源；
• MIGRATE_INFO_TYPE：允许调用方识别受信任操作系统中存在的多核支持级别，通过返回值可以判定受信任操作系统是否必须运行在单一处理器上，是否支持迁移；
• MIGRATE_INFO_UP_CPU：指示受信任的操作系统当前的位置；
• SYSTEM_OFF：系统关闭；
• SYSTEM_RESET：系统冷复位；
• SYSTEM_RESET2：此API是对SYSTEM_RESET的扩展；
• MEM_PROTECT：此API确保内存在交给操作系统加载程序之前被重写，从而提供防止冷重启攻击的保护；
• MEM_PROTECT_CHECK_RANGE：此API用于检查某段内存范围是否受MEM_PROTECT保护；
• PSCI_FEATURES：此API允许调用方检测已实现的PSCI函数及其属性；
• CPU_FREEZE：此API将处理器核设置于低功耗状态（依赖具体设计实现）。与CPU_SUSPEND和CPU_DEFAULT_SUSPEND不同，中断不能唤醒该处理器；与CPU_OFF也不同，不需要迁移；
• CPU_DEFAULT_SUSPEND：此API将处理器核设置于低功耗状态（依赖具体设计实现），与CPU_FREEZE的调用参数不同；
• NODE_HW_STATE：此API允许直接从电源控制器或电源控制逻辑确定节点的电源状态。与AFFINITY_INFO不同，此API返回电源状态的物理视图；
• SYSTEM_SUSPEND：此API相当于CPU_SUSPEND到最深的低功耗状态，但实际系统中有可能实现比CPU_SUSPEND更深的低功耗状态，比如支持RAM挂起；
• PSCI_SET_ SUSPEND_MODE：此API允许设置CPU_SUSPEND用于协调电源状态的模式；
• PSCI_STAT_RESIDENCY：此API返回自冷启动后平台处于某个电源状态的时间；
• PSCI_STAT_COUNT：此API返回自冷启动后平台使用某个电源状态的次数；

SCP和AP之间有一个通信接口。这个通信接口在硬件上可以通过共享存储和MHU（Message Handling Unit）实现；在软件上，通过定义一组通信协议来实现。关于MHU需要查硬件寄存器手册。

SCMI（System Control and Management Interface）。SCMI是用于系统管理的一组独立于操作系统的软件接口，包括以下几个方面：

• 电源域管理
• 性能管理
• 时钟管理
• 传感器管理
• 复位管理
• 电压域管理

关于传输，可以用共享存储方式来保存AP与SCP之间的消息。通信的流程可以采用中断，doorbell的方式，也可以采用轮询的方式去主动查询消息通道的状态。采用中断方式的通信流程如下图：

其他的一些硬件参考： SoC设计之功耗 -- Q channelSoC设计之功耗 -- DVFS
SoC设计之功耗 -- Clock Gating
SoC设计之功耗 -- Multi Voltage
SoC设计之功耗 -- Power Gating
SoC设计之功耗 -- UPFSoC设计之功耗 -- RTL/netlist功耗计算
SoC设计之功耗 -- RTL功耗计算(二)
SoC设计之功耗 -- IR dropSoC设计之功耗 -- IR drop(二)
SoC设计之功耗 -- 电迁移（EM）

3. 关于芯片设计中电源管理的一些要点

• SCP子系统一般是在Always-on区域，也就是休眠的时候不下电，除非整机关机才下电。
• SCP有独立的M核硬件，所以需要设计中断，RAM内存区域的使用
• SCP会通过I2C连接PMIC硬件对系统中其他硬件模块上电，一般按照电源域为单位，按一定顺序上电
• SCP通过Mailbox跟AP或者其他异构核子系统通信，软件上使用SCMI+SMT，硬件上使用MHU或者PL320，主要就是为了触发中断+共享内存
• 设计SCP的硬件接口，例如I2C四根线，占四个接口
• 低功耗主要就是休眠省电模式的设计，需要分析出来耗电多的子系统进行关闭，一般通过PMIC电源开关，clock的开关，模块自动低功耗模式设置等
• 对于A核的休眠需要注意DDR中的数据，可以有DDR PHY硬件控制进入retention mode，一些开机DDR训练参数输出保存到Always-on的RAM中去。

参考：

1.ARM系列 -- 电源和时钟管理

后记

对于软件人员去钻研硬件知识比较吃力，因为硬件很多程度上就是经验和套路，门槛高，入门难。会三脚猫功夫的多，高手少，而且高手基本都是海归，整词都是英文的，工资巨高。充分说明高端产业在欧美。靠硬件就需要有人带，不然无师自通还是有点慢。自学可以什么概念不懂就直接去ARM官网搜：developer.arm.com

干啥都能干，干啥啥不是，

专业入门劝退，堪称程序员杂家"。

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