ARM系列 -- P Channel

文摘   科技   2023-10-22 16:00   北京  

ARM定义了两个低功耗接口(Low Power Interface),用于低功耗控制握手,分别是Q-Channel和P-Channel。其中的Q-Channel在以前讲过,《SoC设计之功耗 -- Q channel》。Q-Channel相对P-Channel而言简单一些,只是控制开/关两种状态,这在控制时钟的握手时没有任何问题,但是在控制电源的握手时就有点不够用了。对于一个复杂的设计,仅仅用开/关两种状态描述是不完备的,需要引入更多的电源状态,比如memory retention(一种低功耗技术,为存储单元提供一个较低供电电压,以保留存储阵列的数据,但是存储单元不接受外部的数据访问)。

P-Channel提出了一个概念,叫电源状态转换(power state transition)。在P-Channel的应用场景中,电源的状态有很多,这个是可以是自己定义的。电源的各个状态之间是可以切换的。

P-Channel的接口并不复杂:

  • N-bit的PACTIVE,由设备端驱动,每个比特位可能由多个源信号组成;

  • M-bit的PSTATE,由控制器端驱动,表示请求转换到的电源状态;

  • PREQ,由控制器端驱动,高电平表示请求转换到电源状态(电源状态由PSTATE定义);

  • PACCEPT,由设备端驱动,高电平表示设备接受制器发出的电源状态转换请求;

  • PDENY,由设备端驱动,高电平表示设备拒绝控制器发出的电源状态转换请求;

其中N和M的值取决于具体的设计需要,P-Channel规范并没有强制要求。

PREQ、PACCEPT和PDENY构成一个握手接口(PACTIVE不在握手之中),用于管理和保证安全状态转换。P-Channel要求在一次握手转换中,PACCEPT或PDENY中只有一个发生变化。也就是说,PACCEPT和PDENY在握手中,只能有一个为高。

来自设备的PACCEPT和PDENY信号,以及来自控制器的PREQ和PSTATE信号都必须由寄存器直接驱动。拒绝机制的目的是使设备能够保持其当前状态,同时通过该机制可以迅速完成握手。

握手信号状态与PACTIVE位无关。PACTIVE位上的转换不受PREQ、PACCEPT和PDENY上的值的限制。

握手规则如下:

  • 当PACCEPT和PDENY都为低电平时,PREQ才能从低电平转换为高电平。

  • PREQ只能在以下情况下,可以从高电平到低电平转换:

    -PACCEPT为高,PDENY为低。

    -PACCEPT为低,PDENY为高。

  • PSTATE只能在以下情况下转换:

    -PREQ、PACCEPT和PDENY都为低电平(控制器在发起请求前,提前改变PSTATE)。

    -PREQ和PDENY为高电平,PACCEPT为低电平(设备拒绝请求,控制器需要将PSTATE返回请求前的值)。

  • 仅当PREQ高电平且PDENY低电平时,PACCEPT才可以从低转换到高。

  • 仅当PREQ低电平且PDENY低电平时,PACCEPT才可以从高转换到低。

  • 仅当PREQ高电平且PACCEPT低电平时,PDENY才可以从低转换到高。

  • 仅当PREQ低电平且PACCEPT低电平时,PDENY才可以从高转换为低。

 下图是控制器发出从A状态到B状态转换请求,设备接受请求的握手流程:

  • T0时刻,接口空闲,所有握手信号均为低电平。接口状态为P_STABLE,设备保持当前状态。

  • T1时刻,控制器想要发出请求,并且需要提前做一些准备工作。接口状态仍为P_STABLE。

  • T2时刻,控制器设置PSTATE为目标状态B,同时将PREQ信号变为高电平,接口状态变为P_REQUEST。协议要求在设备检测到PREQ时,PSTATE是稳定的。

  • T3时刻,设备通过将PACCEPT驱动成高电平来表示接受转换,同时PDENY必须保持低电平(PACCEPT和PDENY在握手中,只能有一个为高)。接口状态现在是P_ACCEPT。

  • T4时刻,控制器端对PACCEPT高电平进行采样,并将PREQ设置为低电平,表示本次请求结束。接口状态为P_COMPLETE。

  • T5时刻,设备端监测到PREQ变为低电平,将PACCEPT驱动为低电平。此时,一旦控制器检测到PACCEPT为低电平,它就可以采取所需的任何转换后操作(比如控制电源开关)。本次握手全部完成,接口状态回到P_STABLE。

下图是控制器发出从A状态到B状态转换请求,设备拒绝请求的握手流程:

  • T0,T1,T2时刻的握手顺序跟接受请求的流程一样。

  • T3时刻,设备端拒绝此次控制器发出的电源状态转换请求,驱动PDENY信号为高电平,同时必须保持PACCEPT信号为低电平。接口状态为P_DENIED。

  • T4时刻,控制请检测到PDENY信号为高电平,知道设备拒绝了本次请求。控制器端驱动PREQ信号为低电平,表示结束本次请求,同时恢复PSTATE信号为初始的A状态。接口状态为P_CONTINUE。

  • T5时刻,设备端发现PREQ变成低电平,需要将PDENY信号驱动成低电平。一旦控制器发现PDENY变成低电平,它就可以采取所需的任何转换后操作。本次握手流程全部完成,接口状态恢复为P_STABLE。

对于设备端,在复位时,必须将PACCEPT和PDENY置为低电平,但对PACTIVE没有要求。如果设备必须进入特定电源状态才能进行启动操作,则需要在设备复位时将PACTIVE位置为高位。如果不存在此类要求,ARM建议在设备复位时将所有PACTIVE置为低电平

P-Channel的状态为P_STABLE时,设备的复位信号才可以设置为有效。

当设备的的复位被释放后,设备要进入初始化,此时控制器要设置PSTATE信号值,设备会采样该信号值,从而完成正确的初始化流程。PSTATE要在复位信号无效后要保持稳定。

设备要提供一个初始化时间(tinit),用来表示,复位之后,在所有可能的复位状态下保证捕获PSTATE值之前所需的设备时钟周期数。PSTATE在这段时间内必须保持稳定。

以下是复位后,控制器等待tinit时间后,控制器再发起请求的握手流程。

下图展示了控制器在复位解除前将PREQ置为高电平,然后等待P-Channel转换完成后,再发出进一步请求的情况。

下图展示了控制器在复位解除后,使用相同的PSTATE值,并将PREQ设置为高的情况。

下图展示了多状态转换的握手,从状态A转换到状态B,然后再转换到状态C。

P-Channel的握手状态和状态转换图如下:

设备用PACTIVE向电源控制器提出要求,每个位代表不同的要求。PACTIVE位为高电平表示设备向控制器提出需求。如果PACTIVE为低电平,表示设备不再需要该需求。P-Channel握手独立于PACTIVE,控制器可以不考虑PACTIVE而做出任何决策。但是,该设备可以拒绝任何不适当的请求。换句话说,PACTIVE是独立于握手协议的,PACTIVE可以是自定义实现的。
下图展示了控制器根据设备的PACTIVE发出电源转换请求的案例。本例子中:
  • PACTIVE[2]: State C

  • PACTIVE[1]: State B

  • PACTIVE[0]: State A

为了控制器的正确设计,设备端必须提供足够的信息,包括:
  • 所有设备支持的电源状态,包括:PSTATE定义和编码;PACTIVE每个比特位的分配;用于初始化状态,推荐的PACTIVE值;不再使用的PACTIVE位。

  • 设备支持的电源状态转换,比如,如果控制器发起转换请求,设备采取的任何操作;哪些设备电源状态转换可以被有条件地拒绝。

  • 复位释放后,用于初始化设备的PSTATE值

  • 设备初始化时间tinit

P-Channel规范中,给出了一个例子。本例中,有两个设备,三个电源域。Device 0位于power domain0,电源控制器使用PD0来控制。Device 1位于power domain1和power domain2,电源控制器使用PD1和PD2来分别控制。此例中,三个电源域是独立的。

如果电源域不是彼此独立的,而是由嵌套关系,如下图所示。Device1内部有3个电源域,分别为power domain 0power domain 1power domain 2,但是domain 0domain 1domain 2的父域,domain 1domain 2是子域,也就是domain 0控制domain 1domain 2

电源控制器和device 13P-Channel接口,但是都是在power domain 0中。这种情况下,电源控制与power domain 0的握手需要考虑子域的电源状态。

 

祝大家周末愉快!

老秦谈芯
交流ASIC技术