Arm SoC的電源和時鐘管理詳解

本文討論的是基于ARMIP的大規模SoC中的電源（時鐘，復位等）管理，適用于眾核處理器，手機SoC，汽車SoC等等。如果是小規模的設計可能就不適用了，比如MCU或者是簡單應用的IoT芯片。

關于芯片電源管理，想到了一個比喻，不一定特別貼切，大家權當一樂。用眾核處理器舉例，AP可以比作企業/行業；SCP比作中央銀行；功耗可以比作資金，企業有了資金就可以開足馬力生產，反之就要降低產能。至于BMC嘛，大家都懂。

從宏觀角度看，BMC監控著整個設備環境，擁有著至高無上的權力，但是一般不直接參與管理。當系統環境變差（經濟過熱），BMC給SCP（或者是MSCP，總之一個意思）下發命令。隨后SCP根據命令適當降低整個多核CPU的功耗（收緊銀根，降低資金流動性），但是這個過程中，SCP可能會降低所有的AP功耗；也有可能是關閉一些AP（治理某些過熱企業/行業），保留另外的AP全速工作。反過來，當系統環境比較好的時候，BMC告訴SCP可以放寬功耗（貨幣寬松）。

從微觀角度看，也就是每個AP可以根據自己的需求，向SCP發送請求。比如，工作負載大的時候，要求升壓超頻（申請撥款或者批貸）；或者，工作負載小的時候，要求減壓降頻。這里有一個要求，一個AP不能直接控制SoC或者其它AP的功耗，只能與SCP通信，由SCP來完成。這好理解，雖然所有企業共享一個資金池，但是一家企業不能直接去搶別的企業的配額。

“治大國如烹小鮮”，很多事情道理是相通的。

回到我們關心的芯片設計，要完成整個芯片的電源管理，需要軟硬件結合。一般，上層軟件部分交給操作系統（Linux和Android等）；下層軟件由固件（Firmware）實現；硬件部分由SCP，MHU，PPU這些模塊構成，當然Core也需要有相關的硬件支持。這也就是所謂的分層管理機制。

一句話總結，SCP直接控制SoC的電源和時鐘，而AP通過硬件和軟件接口協同管理。充分理解下面三張圖，就明了了。

圖一：SCP和AP共同完成電源和時鐘管理

圖二：SCP負責硬件管理

圖三：Linux電源和時鐘管理軟件棧

對于我們這些邏輯設計工程師來說，僅僅了解硬件設計是不夠的，還要了解軟硬件之間的接口。只有清楚了軟件如何去調用硬件，才能更好的設計硬件。

先來了解一下SoC中電源和時鐘管理的硬件架構：

ARM系列 -- PCSA（一）

ARM系列 -- PCSA（二）

ARM系列 -- PPU

接下來是軟硬件協同的部分，主要是MHU，PSCI和SCMI：

ARM系列 -- PSCI

ARM系列 -- CSS Message Interface Protocols

ARM系列 -- SCMI

與一些老牌芯片公司比，ARM在芯片電源管理方面做的算不上完美，一部分原因是ARM起步比較晚，尤其是服務器處理器領域里技術積累比較少，而且ARM目前只是作為IP供應商，本身并不量產芯片。至于其它原因，見仁見智，大家自行分析吧。但是，ARM為我們提供了一個較為完整的可參考的方案。那些老牌公司做的再好再完美，不對外開放啊，至多也就是通過公開發表的文章窺探一二?！半p鳥在林不如一鳥在手”，是這個道理吧？有時候橫向比較技術是沒有什么意義的。

本人沒有就職于ARM，也不是為ARM鼓吹，僅僅是出于對技術的好奇心寫了一系列文章。由于本人水平有限，難免有錯誤之處，請大家指正。

審核編輯：湯梓紅