AMBA低功耗接口Q-channel和P-channel介紹

參考博文：https://www.pianshen.com/article/28741269430/和https://www.pianshen.com/article/47501269331/

Q_Channel

AMBA提供了，低功耗的接口。用於實現power控制功能。目前，AMBA里面，包含2種低功耗接口。

• Q-Channel：實現簡單的power控制，如上電，下電。
• P-Channel：實現復雜的power控制，如全上電，半上電，1/4上電等。

ARM引入這2種低功耗接口，是為了滿足不同的應用場景下，對power的控制。

在一些場景下，組件只有兩種power狀態，分別為power-up，power-down。因此對這種組件的power控制，只需要對其上電，斷電即可。用Q-Channel，即可實現。

而在另外的場景下，組件擁有多種power狀態，比如全上電，半上電，1/4上電等。因此對這種組件的power控制，就要復雜很多，不能簡單的對其上電，斷電即可，還需要額外的一些控制。此時，用Q-Channel，就不合適了，需要使用P-Channel。

比如在DynamlQ技術中，引入了L3 cache，並且每個core擁有自己的L1 cache，L2 cache，這樣，整個系統中，cache的容量就變大了，相應的，消耗在cache上的功耗，也增多了。此時，就需要復雜的對cache的power控制，來實現低功耗，比如對L3 cache，1/4上電，也就是只有1/4的L3 cache工作，其余的都斷電，以此來節省功耗。此時，就要用到P-Channel。

 

一、Q-Channel

Q-Channel是從AXI的低功耗接口中，演變過來。但是可以向后兼容。

1、接口

以下是Q-Channel的接口：

分為device端和power controller端（下文均簡稱為PMU）。device端，就是需要被電源控制的組件，比如core，外設等。PMU端，就是提供電源管理的組件。

在Q-Channel中，將device的power狀態，分成了2種，

• operational狀態： device處於工作狀態，簡單理解為上電狀態，下文稱為上電狀態
• quiescent狀態：device處於停止狀態，簡單理解為斷電狀態，下文稱為斷電狀態

接口如下：

信號	說明
QACTIVE	提供給device，向PMU發送power請求，更改自己的power狀態 為高，表示device需要PMU將自己置為上電狀態 為低，表示device需要PMU將自己置為斷點狀態
QREQn	power controller發送power請求信號 為高，表示上電 為低，表示斷電
QACCEPTn	為高，表示device接受外部power請求
QDENY	為高，表示device拒絕外部power請求

2、Q-Channel接口的握手狀態

ARM對Q-Channel的interface，定義了幾種握手狀態：

• Q_RUN:      device處於上電狀態。
• Q_REQUEST： device處於上電狀態，但是在idle狀態時，可以接收power request，進入斷電狀態。
• Q_STOPPED： device進入了斷電狀態。
• Q_EXIT： 等待被提供時鍾或者power的狀態。當device得到外部提供的時鍾或者power時，將QACCEPTn拉高，進入Q_RUN狀態。
• Q_DENIED:     device拒絕外部power的請求，不進入斷電狀態，而保持上電狀態。
• Q_CONTINUE： PMU在Q_DENIED狀態后，將QREQn拉高后的狀態。

  以下是編碼：

下圖是各個握手狀態的切換：

對於握手信號，有以下的規則：

• QREQn只能在QACCEPTn為高並且QDENY為低時，才可以從高變為低。
• QREQn滿足以下條件，才可以從低變為高
  • QACCEPTn和QDENY都為低
  • QACCEPTn和QDENY都為高
• QACCEPTn只能在QREQn和QDENY都為低情況下，才可以從高變為低
• QACCEPTn只能在QREQn和QDENY都為高情況下，才可以從低變為高
• QDENY只能在QREQn和QACCEPTn都為高情況下，才可以從高變為低
• QDENY只能在QREQn為低並且QACCEPTn為高情況下，才可以從低變為高

上面的這些原則，在設計Q-Channel時，需要遵守的。

3、Q_Channel的握手協議

3.1、device接受PMU的power請求

以下是握手協議時序圖：

在T1，QREQn和QACCEPTn為高，Q_Channel進入Q_RUN狀態。

在T2，QREQn為低，PMU請求device進入斷電狀態，然后等待外設響應，此時Q_Channel進入Q_REQUEST狀態。

在T3，QACCEPTn為低，表示device接收PMU的請求，將自己進入斷電狀態。此時Q_Channel進入Q_STOPPED狀態。

在T4，QREQn為高，PMU請求device進入上電狀態，然后等待外設響應。此時Q_Channel進入Q_EXIT狀態。

在T5，QACCEPTn為高，表示device接收PMU的請求，將自己進入上電狀態。此時Q_Channel進入Q_RUN狀態。

3.2、device拒絕PMU的power請求

當外部PMU給device發送power請求，device可以拒絕該power請求。PMU收到device的拒絕響應后，應取消該power請求。

在T1，QREQn和QACCEPTn為高，Q_Channel進入Q_RUN狀態。

在T2，QREQn為低，PMU請求device進入斷電狀態，然后等待外設響應，此時Q_Channel進入Q_REQUEST狀態。

在T3，QDENY為高，表示device拒絕PMU的請求，自己保持上電狀態。此時Q_Channel進入Q_DENIED狀態。

在T4，PMU接收到device的拒絕響應，將QREQn拉高，PMU請求device進入上電狀態，然后等待外設響應。此時Q_Channel進入Q_CONTINUE狀態。

在T5，QDENY為低，表示device接收PMU的上電請求，將自己保持上電狀態。此時Q_Channel進入Q_RUN狀態。

4、device復位信號與Q_Channel的結合

復位信號，需要和Q_Channel的信號，進行組合。一般來說，復位信號，也會由PMU來控制。

組合分為以下2種情況。

4.1、RESETn復位無效時，QREQn為低

    T2時刻，RESETn為高，復位取消。

T3時刻，QREQn為高，PMU向device請求上電。Q_Channel進入Q_EXIT狀態。

T4時刻，QACCEPTn為高，device接受PMU的上電請求。Q_Channel進入Q_RUN狀態。

T5時刻，QREQn為低，PMU向device請求斷電，Q_Channel進入Q_REQUEST狀態。T6時刻，QACCEPTn為低，device接受PMU的斷電請求。Q_Channel進入Q_STOPPED。

T7時刻，將RESETn拉低。

4.2、RESETn復位有效時，QREQn為高

T2時刻，QREQn拉高，PMU向device請求上電。Q_Channel進入Q_EXIT狀態。

T3時刻，因為RESETn為低，復位有效，device將QACCEPTn保持為低，Q_Channel保持Q_EXIT狀態。

T4時刻，因為RESETn為高，復位無效。device將QACCEPTn拉低，響應PMU的上電請求。Q_Channel進入Q_RUN狀態。

T5時刻，QREQn拉低，PMU向device請求斷電，Q_Channel進入Q_REQUEST狀態。

T6時刻，device將QACCEPTn拉低，響應PMU的斷電請求。Q_Channel進入Q_STOPPED狀態。

T7時刻，RESETn拉低。

5、QACTIVE

QACTIVE，是提供給device，給PMU發送power請求的信號。可以由多個來源的組合。如果為高，那么PMU要給自己上電，並且之后，不能給自己斷電。

QACTIVE和握手信號（QREQn，QACCEPTn，QDENY）是獨立開的。

5.1、請求上電和請求下電

T1時刻，device將QACTIVE拉高，向PMU發起退出斷電請求。T2時刻，PMU將QREQn拉高，Q_Channel進入Q_EXIT狀態，T3時刻，進入Q_RUN狀態。

    T4時刻，device將QACTIVE拉低，device向PMU發起進入斷電請求。T5時刻，PMU將QREQn拉低，Q_Channel進入Q_REQUEST狀態，在T6時刻，進入Q_STOPPED狀態。

5.2、PMU不允許斷電

T1時刻，device將QACTIVE拉高，向PMU發起上電請求。T2時刻，PMU將QREQn拉高，Q_Channel進入Q_EXIT狀態，T3時刻，進入Q_RUN狀態。之后，device處於上電狀態。

T4時刻，PMU將QREQn拉低，PMU想讓device進入斷電狀態，但是QACTIVE為高，表示device要一直處於上電狀態。因此QACCEPTn持續保持高，Q_Channel一直維持在Q_REQUEST狀態。device維持在上電狀態。

T5時刻，因為之前QACTIVE拉低，device想進入斷電狀態，device將QACCEPTn拉低，響應PMU的斷電請求，然后Q_Channel進入Q_STOPPED狀態。device進入斷點狀態。

6、Q_Channel的實現

一般來說，device和PMU的時鍾是異步時鍾。因此，需要一些同步化。

下圖是同步化的框圖：

ARM提供了以下的一些實現指導：

• 被使用的所有信號，都需要進行同步化
• 只有當Q_Channel進入Q_STOPPED狀態是，才可以將時鍾和power給關掉
• 為了保證握手信號的正確性，QREQn，QACCEPTn，QDENY需要使用寄存器直接輸出
• QACTIVE使用寄存器直接輸出，或者是相關寄存器輸出的組合輸出。ARM強烈建議組合輸出，使用或門。

7、Q_Channel的向后兼容

Q_Channel是從AXI的低功耗結構，演化過來。但是Q_Channel也可以兼容AXI的低功耗接口。

如下圖，device使用AXI的低功耗接口，PMU使用Q_Channel。只需要按照如下的連接進行連接即可。

如下圖，device使用Q_Channel，PMU使用AXI的低功耗接口，只需要按照如下的連接進行連接即可。

 

P_Channel

為了滿足復雜的power管理的需求，arm提供了P_Channel的低功耗接口，來滿足這樣的應用場景。

 

一、P_Channel

P_Channel，提出了一個概念，叫power state transition，power狀態的切換。在P_Channel的應用場景中，power的狀態有很多，這個是實現自己定義的。power的各個狀態之間，是可以切換的。

2個最基本的狀態：

• lower-power狀態：在這個狀態下，power消耗比較少，device處於低功耗狀態（具有部分功能）
• higher-power狀態：在這個狀態，power消耗比較大，device處於正常狀態（具有完整功能）

1、接口

以下是P_Channel接口。

分為device端和power控制端（下文簡稱PMU）。

信號	說明	驅動端
PACTIVE [N-1:0]	提供wakeup功能	device
PSTATE [M-1:0]	需要切換的目的power狀態	PMU
PREQ	為高，表示power狀態切換請求	PMU
PACCEPT	為高，表示device接受power狀態切換請求	device
PDENY	為高，表示device拒絕power狀態切換請求	device

PACCEPT和PDENY在握手中，只能有一個為高。PACCEPT表示接受請求，PDENY表示拒絕請求。

PACCEPT，PDENY，PREQ，PSTATE，必須是從寄存器直接輸出。

2、P_Channel接口握手狀態    

對P_Channel的接口，arm也定義了一些握手狀態。不過狀態，有加入了RESETn信號的影響。

• P_RESET： device處於reset狀態
• P_STABLE: device處於非reset狀態，並且PMU沒有發送power狀態切換請求
• P_REQUEST： PMU向device發送power狀態切換請求
• P_ACCEPT： device接受PMU的power狀態切換請求
• P_DENIED： device拒絕PMU的power狀態切換請求
• P_COMPLETE： device接受PMU的power狀態切換請求后，PMU取消power狀態切換請求
• P_CONTINUE: device拒絕PMU的power狀態切換請求后，PMU取消power狀態切換請求

編碼：

以下是狀態轉移圖：

握手協議規則：

• PREQ只有在PACCEPT和PDENY都為低情況下，才可以從低變為高
• PREQ要滿足以下的任意條件，才可以從高變為低：
  • PACCETP是高，PDENY為低
  • PACCEPT為低，PDENY為高
• PSTATE滿足以下的任意條件，才可以變化：
  • PREQ，PACCEPT，PDENY都為低
  • PREQ和PDENY為高，PACCEPT為低
• PACCEPT只有在PREQ為高，並且PDENY為低，才可以從低變為高
• PACCETP只有在PREQ為低，並且PDENY為低，才可以從高變為低
• PDENY只有在PREQ為高，並且PACCEPT為低，才可以從低變為高
• PDENY只有在PREQ為低，並且PACCEPT為低，才可以從高變為低

3、P_Channel的握手協議

握手協議，涉及到PREQ，PSTATE，PACCEPT，PENDY這4個信號。

3.1、device接受power狀態切換

下圖是該時序圖：

在T2時刻之前，P_Channel處於P_STATBLE狀態。

T2時刻，PMU拉高PREQ，將PSTATE置為STATE B。向device發送power狀態切換請求，請求將device切換到STATE B的power狀態。P_Channel進入P_REQUEST狀態。

T3時刻，device將PACCEPT拉高，表示接受PMU的power狀態切換請求。P_Channel進入P_ACCEPT狀態。

T4時刻，PMU接收device的PACCEPT響應，拉低PREQ，取消請求。P_Channel進入P_COMPLETE狀態。

T5時刻，device將PACCEPT拉低，表示完成power狀態切換。P_Channel進入P_STABLE狀態。

3.2、device拒絕power狀態切換

下圖是時序圖：

T2時刻以前，P_Channel處於P_STABLE狀態。

T2時刻，PMU將PREQ拉高，將PSTATE置為STATE B。向device發送power狀態切換請求，請求將device切換到STATE B的power狀態。P_Channel進入P_REQUEST狀態。

T3時刻，device將PDENY拉高，表示拒絕PMU的power切換請求。P_Channel進入P_DENIED狀態。

T4時刻，PMU接收到device的PDENY響應，將PREQ拉低，取消請求，並且把PSTATE置為STATE A。P_Channel進入P_CONTINUE狀態。

T5時刻，device將PDENY拉低，P_Channel進入P_STABLE狀態。

4、device的復位和初始化

device在復位時，必須將PACCEPT和PDENY置為低，但對PACTIVE沒有要求。

P_Channel的狀態為P_STABLE時，device的復位信號，才可以設置為有效。

當device的復位無效時，device要進入初始化，此時PMU要設置PSTATE信號值，device會在復位之后，采樣該信號值，從而采用合適的初始化流程。PSTATE要在復位信號無效后要保持穩定。

device，要提供一個初始化周期時間，tinit。用來表示，復位之后，PSTATE需要保持多久時間，供device初始化使用。PSTATE在tinit時間之內，必須要保持穩定。

以下是時序圖：

T1時刻之前，RESETn為低，復位有效，P_Channel處於P_RESET狀態。

T1時刻，RESETn為高，PMU將PSTATE置為STATE A。P_Channel進入P_STABLE狀態。

T2時刻，由於tinit的限制，PMU要將PSTATE一直保持在STATE A，以便device正確的初始化。device必須要在tinit時間內，采樣PSTATE。此后，PMU就可以發送power切換請求了。

T3時刻，PMU將PREQ置高，並且將PSTATE置為STATE B，發送power切換請求。P_Channel進入P_REQUEST狀態。

T4時刻，device將PACCEPT拉高，表示接受PMU的power狀態切換請求。P_Channel進入P_ACCEPT狀態。

T5時刻，PMU接收device的PACCEPT響應，拉低PREQ，取消請求。P_Channel進入P_COMPLETE狀態。

T6時刻，device將PACCEPT拉低，表示完成power狀態切換。P_Channel進入P_STABLE狀態。

T7時刻，P_Channel在P_STATBLE狀態，可以進行復位，外部拉低RESETn，P_Channel進入P_RESET狀態。

下圖，展示了，當復位時，PMU發送power切換情況的時序圖。

T1時刻，PMU將PREQ拉高，並置PSTATE為STATE A，但是復位信號有效，device不接收PMU請求。P_Channel保持為P_RESET狀態。

T2時刻，復位信號釋放，因為PREQ為高，P_Channel進入P_REQUEST狀態。device接收PMU的power切換請求。

之后的就和上面的分析原理是一樣的了。

下圖，展示了，復位后，PMU發送使device進入STATE A的power狀態請求，當該轉換完成后，PMU又繼續發送使device進入STATE B的power狀態請求。

PMU在發送下一個power切換請求前，必須保證上一個power切換請求，傳輸完畢。

5、多個power狀態切換

利用P_Channel，PMU可以使device，來回切換不同的power狀態。

在T0，device處於STATE A狀態。

在T1到T4，通過P_Channel，使device進入STATE B狀態。在T4，P_Channel進入P_STABLE狀態。

在T5-T8，通過P_Channel，使device進入STATE C狀態。在T8，P_Channel進入P_STABLE狀態。

6、PACTIVE

PACTIVE，提供給device給PMU發送請求。PACTIVE的每一個bit，表示一種請求。bit為高，表示device發送請求給PMU，讓PMU處理，bit為低，表示device沒有發送請求給PMU處理。

PACTIVE和握手協議，是獨立開的。PACTIVE是設計自定義的，請求完全自己定義。當然，也可以不使用PACTIVE，如果不是用PACTIVE，需要將PACTIVE置為0。

以下是PACTIVE的例子：

PACTIVE有3個bit，每個bit，映射到一個power狀態，MSB具有高優先級。

• PACTIVE[2]: STATE C
• PACTIVE[1]:     STATE B
• PACTIVE[0]: STATE A

T1時刻，device將PACTIVE設置為3'b011，表示device向PMU發送power切換請求，將自己切換為STATE B。

PMU接收到device的請求后，從T2到T5，向device發送power切換請求，並且切換到STATE B狀態。最后P_Channel進入P_STABLE狀態。

T6時刻，device將PACTIVE設置為3'b111，表示device向PMU發送power切換請求，將自己切換為STATE C。

PMU接收到device的請求后，從T7到T10，向device發送power切換請求，並且切換到STATE C狀態。最后P_Channel進入P_STABLE狀態。

7、對於device，需要提供的信息

為了PMU的設計的正確性，device需要向PMU提供以下的一些信息：

• device支持的power狀態，包括以下：
  • PSTATE定義和編碼
  • PACTIVE每個bit代表的請求
  • 用於初始化power狀態，推薦的PACTIVE輸出
  • PACTIVE需要被忽略，或者一直置0的bit信息
• power狀態的切換，包括以下：
  • power狀態切換之后的device行為
  • device拒絕power狀態切換的條件
• 復位釋放后，用於初始化device的PSTATE的合理值
• tinit值

8、實現

對於device和PMU來說，有各自的時鍾，因此他們的時鍾，是當成異步來進行處理的，所以需要同步化的操作。

下圖展示了，P_Channel的實現框圖：

對於PSTATE，PREQ，PACCETP，PDENY，需要從寄存器直接輸出，在接收端，需要使用同步器，對異步輸入信號進行同步化輸出。

對於PACTIVE，如果是多個來源的組合，ARM建議使用或門來實現。並且每個對PACTIVE貢獻的來源，必須是寄存器直接輸出。

 

9、P_Channel使用例子

以下是P_Channel使用的2個例子。

9.1、獨立的power domain使用P_Channel

device0處於power domain0，PMU使用PD0來控制。

device1處於power domain1和power domain2，PMU使用PD1和PD2來分別控制。

9.2、父子關系的power domain使用P_Channel

device1內部有3個power domain，分別為power domain0，power domain1，power domain2，但是domain0是domain1和domain2的父domain，也就是domain0控制domain1和domain2。

PMU和device1有3個P_Channel接口，但是都是在power domain0中。