ARM系列-P Channel介绍

冬至子 2023-10-26 1486

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描述

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，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；

寄存器

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：

寄存器

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：

寄存器

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。

寄存器

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。

寄存器

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。

寄存器

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。

寄存器

P-Channel的握手状态和状态转换图如下：

寄存器

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

寄存器

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。

寄存器

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 0，power domain 1，power domain 2，但是domain 0是domain 1和domain 2的父域，domain 1和domain 2是子域，也就是domain 0控制domain 1和domain 2。

电源控制器和device 1有3个P-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。

寄存器

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