一文搞懂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

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。

2.3 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 区 – 连接开发者与智能计算生态 (aijishu.com)

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