Arm應(yīng)用處理器從Arm926（應(yīng)用于手機(jī)和嵌入式系統(tǒng)）開始，歷經(jīng)

• Arm11，
• 單核Cortex-A8，
• 第一個真正的多核系統(tǒng)Cortex-A9和后面的Cortex-A5,
• 第一個大小核系統(tǒng)A15+A7到后面的A17+A7，A57/A72/A73+A53
• 新的大小核DynamIQ系統(tǒng)A75, A76, A77, A78 + A55
• 最新的Armv9 CPU A710/A720+A510系統(tǒng)

Arm應(yīng)用處理器始終以極佳的能效，低功耗應(yīng)用于包括手機(jī)在內(nèi)的移動設(shè)備，因而它們的低功耗設(shè)計(jì)，電源管理是重要的設(shè)計(jì)考慮。

本文討論arm應(yīng)用處理的電源管理的硬件的變遷過程?？偟膩碚farm應(yīng)用處理器的電源管理硬件設(shè)計(jì)是隨著SoC系統(tǒng)從單核-》多核-》大小核-》DynamIQ的復(fù)雜度而復(fù)雜的，但是為了提供統(tǒng)一的電源管理接口和簡化和統(tǒng)一軟件上下電的復(fù)雜度，arm在這個進(jìn)化過程，

1. 改進(jìn)了硬件設(shè)計(jì)，提供了power policy unit(PPU)這樣的標(biāo)準(zhǔn)電源管理組件，通過標(biāo)準(zhǔn)的P-channel硬件接口來統(tǒng)一電源管理。
2. 通過硬件對上下電的支持來簡化和標(biāo)準(zhǔn)化軟件電源管理，比如支持硬件自動的刷cache，硬件自動的退出coherency，硬件的CPU靜默(Quiescence)和GIC靜默請求和應(yīng)答等。
3. 定義了系列的軟件接口，如PSCI，SCMI，通過明確的軟件分層和接口定義，提供更加通用portable的軟件系統(tǒng)。

Cortex-A9多核系統(tǒng)

從Cortex-A9說起，A9MP多核系統(tǒng)需要更好的電源控制，如動態(tài)控制一個CPU core power down和power up。A9MP提供了一些特用的硬件信號與電源控制器連接和通信，運(yùn)行在A9應(yīng)用處理器上的軟件通知電源控制器需要對那個CPU進(jìn)行哪種控制（Power Down或是Power UP或進(jìn)入/退出Dormant mode）。A9MP提供了PWRCTLO這組信號，可以連接到電源控制器。電源管理軟件可以設(shè)置A9MP SCU CPU Power Status Register寄存器設(shè)置CPU要進(jìn)入的power狀態(tài)（power-off或是dormant模式），當(dāng)A9MP通過執(zhí)行WFI指令進(jìn)入WFI低功耗模式，A9MP硬件會驅(qū)動PWRCTLO這組信號來表示要進(jìn)入的power狀態(tài)，從而告知power controller。

A9的power Down過程大致為：

1. 軟件保存CPU core的通用寄存器，系統(tǒng)寄存器值到內(nèi)存中。
2. 軟件執(zhí)行DSB指令
3. 軟件清除SCTLR.C bit，這防止數(shù)據(jù)進(jìn)一步分配在cache中
4. 軟件clean and invalidate L1數(shù)據(jù)cache中的數(shù)據(jù)到下級內(nèi)存，如DRAM
5. 軟件執(zhí)行DSB指令
6. 軟件執(zhí)行CLREX指令
7. 軟件清除ACTLR.SMP bit, 這使這個CPU核退出硬件coherency（SCU不再snoop這個核），并且SCU不再把TLB invaldate和cache maintainance操作到這個核
8. 軟件將原來發(fā)送給這個核的中斷disable（保留wakeup中斷）或遷移到其他核，disable這個CPU對應(yīng)的GIC CPU interface
9. 軟件執(zhí)行ISB，保證之前系統(tǒng)操作完成
10. 軟件將要進(jìn)入的power狀態(tài)設(shè)置到SCU CPU power status register
11. 軟件執(zhí)行DSB指令，保證之前的內(nèi)存和cache maintainance操作完成，包括outstanding的AXI， ACP傳輸。
12. 軟件執(zhí)行WFI指令。當(dāng)這個核進(jìn)入靜默狀態(tài)，A9MP硬件會驅(qū)動STANDBYWFI信號，通過它告知與其連接的電源控制器，CPU已進(jìn)入idle狀態(tài)。SCU硬件也會驅(qū)動PWRCTLO信號告知電源控制器這個核要進(jìn)入的power狀態(tài)
13. 電源控制器驅(qū)動CLAMP信號使能核的鉗位電路
14. 電源控制器切斷這個核的電源

A9時代的SoC的電源控制比較簡單，一般是芯片設(shè)計(jì)公司自己設(shè)計(jì)的PMIC，采用狀態(tài)機(jī)方式來實(shí)現(xiàn)控制。

A9時代電源管理比較容易犯錯誤的地方有：

1.在執(zhí)行DSB＋WFI之前，沒有做好第8步。也就是在執(zhí)行WFI—電源控制器將電源切斷這中間，還有中斷通過GIC的CPU interface和CPU連接的nIRQ/nFIQ將中斷發(fā)送給CPU。這可能導(dǎo)致的問題是：
CPU已經(jīng)執(zhí)行了WFI，通知了power controller切斷電源，這兩個操作有時間差，如果這個時間差過程中，有一個中斷通過nIRQ/nFIQ發(fā)送給CPU，這會喚醒進(jìn)入WFI低功耗狀態(tài)的CPU(即使CPSR.I/F bit禁止了IRQ/FIQ也會喚醒)，CPU會繼續(xù)執(zhí)行IRQ handler或是執(zhí)行WFI之下的指令（取決于CPSR.I/F bit設(shè)置），這可能保護(hù)內(nèi)存訪問指令，但在這些內(nèi)存訪問（如還在outstanding的AXI訪問）硬件操作沒有完成之前，就被power controller切斷電源。這會使interconnect系統(tǒng)中存在沒法完成的AXI傳輸，最終導(dǎo)致硬件系統(tǒng)的掛死。在我支持客戶的經(jīng)驗(yàn)中，這種問題通常在系統(tǒng)的上下電壓力測試時被發(fā)現(xiàn)。
2.硬件系統(tǒng)集成時，將GIC CPU interface的nIRQOUT/nFIQOUT而不是nIRQ/nFIQ連接到CPU的nIRQ/nFIQ. 首先這是設(shè)計(jì)錯誤，然后可能更容易導(dǎo)致上面1的問題。

GIC CPU interface的nIRQOUT/nFIQOUT設(shè)計(jì)目的為讓喚醒(wakeup)中斷可以在CPU interface disable的情況下（這時包括wakeup的中斷不會通過nIRQ/nFIQ發(fā)送給CPU），GIC CPU interface還可以產(chǎn)生nIRQOUT/nFIROUT信號，通知power controller給對應(yīng)的CPU核上電。

A7+A1x big.LITTLE系統(tǒng)

之后出現(xiàn)了big.LITTLE包括A7+A15/A17系統(tǒng),支持通過ACE接口和CCI一致性互聯(lián)實(shí)現(xiàn)ｃcluster之間的硬件cache一致性。在cluster層面上比A9MP的系統(tǒng)多了L2 cache,電源管理的時候可以關(guān)掉一個cluster里面的一些CPU核或者整個cluster. A17還能支持通過power controller硬件L2FLUSHREQ信號請求L2 cache自己在cluster下電時做clean and invalidate操作。為了讓power controller請求/了解cluster的L2 memory system的idle狀態(tài)，引入了STANDBYWFIL2信號，它可以連接到power controller以顯示L2的硬件idle狀態(tài)。引入了ACINACTM信號，power controller設(shè)置這個信號為高時，向cluster保證不再會有任何從一致性互聯(lián)(CCI)發(fā)送給這個cluster。支持ACP port的A15, A17還引入了AINACTS信號，當(dāng)power controller將這個信號置高時，向cluster保證不再會有任何從ACP的傳輸發(fā)送給這個cluster。

Power off一個A15 cluster時，需要在下面條件都滿足下，STANDBYWFIL2才會被拉高（assert）：
這個cluster中所有core都已經(jīng)進(jìn)入WFI低功耗狀態(tài)，即除最后一個核（也就是正在執(zhí)行power down的最后這個核）之外，其他核都被power down了。Cluster中的所有核的STANDBYWFI都已經(jīng)assert了。
SoC將ACINACTM信號拉起，表示外部內(nèi)存系統(tǒng)不再發(fā)snoop給這個cluster
當(dāng)L2 memory sytem完成ACE，AXI端口上所有的outstanding傳輸時，這個cluster可以進(jìn)入L2 WFI低功耗狀態(tài)，這時cluster可以拉高STANDBYWFIL2輸出，通知power controller L2進(jìn)入了idle狀態(tài)了。

A15，A17支持CPU核和cluster級別的dynamic retention模式。當(dāng)進(jìn)入WFI低功耗狀態(tài)，它的時鐘停止了，這時可以讓power controller將供電電壓降低，但是CPU，Cluster的狀態(tài)（如寄存器值，RAM中的內(nèi)容）不丟失。這個狀態(tài)叫Retention. Retention要求power controller可以保證在退出retention過程中，在重新enable時鐘之前先將電壓恢復(fù)到正常可運(yùn)行的電壓值。
為支持dynamic retention模式，A15, A17采用了Q-channel這樣一個比較簡單靈活的接口，與STANDBYWFI這樣的信號通信相比，Q-channel允許控制器可以根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)或系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)出低功耗請求；設(shè)備可以根據(jù)自己的工作狀態(tài)，從而決定是否接受請求。Q-channel接口提供了控制器和設(shè)備的握手機(jī)制。

Q-channel比較簡單。對于時鐘控制來說，只有打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)就可以了。對于電源控制來說，只有ON和OFF兩種狀態(tài)。

Q-Channelinterface定義了幾種握手狀態(tài)：

Q_RUN: device處于上電狀態(tài)。
Q_REQUEST： device處于上電狀態(tài)，但是在idle狀態(tài)時，可以接收power request，進(jìn)入斷電狀態(tài)。
Q_STOPPED： device進(jìn)入了斷電狀態(tài)。
Q_EXIT： 等待被提供時鐘或者power的狀態(tài)。當(dāng)device得到外部提供的時鐘或者power時，將QACCEPTn拉高，進(jìn)入Q_RUN狀態(tài)。
Q_DENIED: device拒絕外部power的請求，不進(jìn)入斷電狀態(tài)，而保持上電狀態(tài)。
Q_CONTINUE： PMU在Q_DENIED狀態(tài)后，將QREQn拉高后的狀態(tài)。

A15, A17提供了單個CPU核和L2 cluster級用于retention握手的Q-channel接口。以單個核retention為例：

當(dāng)A15核進(jìn)入WFI低功耗狀態(tài)，其時鐘停止時，QACTIVE被拉低，用于指示此核可以進(jìn)入retention模式。外部power controller可以拉低QREQn請求將核置為retention，A15通過將QACCEPTn拉低接受retention請求。當(dāng)QREQn和QACCEPTn都為低時，A15處于靜默（quiescent）狀態(tài)，只要QREQn保持在低狀態(tài)，A15的時鐘保持停止。外部power controller可以安全低將電壓降低到retention級別。

如果當(dāng)QREQn為低時，單個核不能安全地進(jìn)入靜默狀態(tài)，它可以將QDENY拉高。這樣power controller就不能降低此核的電壓。

在A7+A1x big.LITTLE系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因?yàn)橛懈鼜?fù)雜的電源管理模式的組合和模式，為了靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般power controller系統(tǒng)會基于MCU（如Cortex-M0, Cortex-M3的子系統(tǒng)）設(shè)置，這樣可以通過MCU軟件firmware來靈活處理電源管理請求。這個MCU一般設(shè)置為always on的電源域。

A53+A57/A7x 系統(tǒng)

A53+A57/A72/A73的電源管理硬件機(jī)制和A7+A17比較類似，基本上也是通過STANDBYWFI, STANDBYWFIL2, ACINACTM (ACE接口，如果是配置為CHI接口時，信號為SINACT)，Q-channel（用于retention）等這些信號與power controller通訊。

一個變化是，arm開始推出power policy unit(PPU)這樣的標(biāo)準(zhǔn)電源管理組件。
PPU提供一個配置接口給SCP，用于功耗策略控制和配置。其次，PPU與設(shè)備之間的控制接口，包括低功耗接口（low power interface，簡稱LPI），若干組Q-channel和一組P-channel，還有時鐘/復(fù)位控制。最后，還有一個與功耗狀態(tài)機(jī)之間的P-channel接口。

PPU剛開始是在arm自己的開發(fā)平臺Juno（A53+A57和A53+A72）上設(shè)置使用的，后來arm以此為基礎(chǔ)推出了PPU規(guī)范。

PPU的接口：
１.系統(tǒng)控制器（System Control Processor, SCP）的配置通路，可以訪問PPU寄存器接口，一般是APB
２．PPU可以發(fā)送中斷，處理完一次電源管理事件后了可以通過中斷通知SCP
３. PPU與被管理的設(shè)備間需要一個通信接口，就是LPI（Low Power Interface， Q-channel或者 P-channel），取決于需要實(shí)現(xiàn)的具體功能是什么。
４. PPU還會提供時鐘控制，復(fù)位和Clamp控制（如果需要實(shí)現(xiàn)電源關(guān)斷）給被管理的設(shè)備.

5.PCSM(Power Control State Machine)的接口，PPU通過P-channel來告訴PCSM當(dāng)前的狀態(tài)，PCSM根據(jù)PPU的狀態(tài)決定何時控制電源關(guān)斷，retention控制

A53+A57/A72/A73系統(tǒng)上，CPU還基本還是使用STANDBYWFI, STANDBYWFIL2, ACINACTM這些信號，因此需要在SoC集成時將這些信號轉(zhuǎn)接到PPU或SCP上。后面的DynamIQ處理器就不再使用這些信號，而直接利用P-Channel和Q-channel.

在power down流程上，雖然A7, A15, A17, A53, A57, A72大致相同，但是有一些和微構(gòu)架相關(guān)的配置有所不同，從而導(dǎo)致不同CPU core的power down流程不能復(fù)用。以下表格總結(jié)來自各CPU的使用手冊。

DynamIQ系統(tǒng)

第二代big.LITTLE系統(tǒng)DynamIQ的電源管理接口標(biāo)準(zhǔn)化為Q-Channel和P-Channel. DynamIQ處理器將L3 cahce包含在DSU cluster中，而L3 cache可以被硬件劃為多個區(qū)，可以單獨(dú)關(guān)掉部分和全部的L3 cache，比如1/4, 1/2 L3 cache. 這帶來更加復(fù)雜的電源模式。

Q-channel過于簡單了。對于時鐘控制來說，只有打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)就可以了。但是對于電源控制來說，只有ON和OFF兩種狀態(tài)，對于某些復(fù)雜的power控制場景來說就不夠用了。要對DSU L3實(shí)現(xiàn)全上電，半上電，1/4上電等操作。這時，Q-channel就不夠用了，arm定義了P-channel來解決這個問題。

相比Q-channel，P-channel把PACTIVE信號加寬了，不再是一根信號，設(shè)備可以傳遞更多的工作狀態(tài)給控制器；控制器會額外多發(fā)出一組PSTATE信號，描述切換power狀態(tài)的請求。

PPU定義了兩個模式：電源模式（power mode）和操作模式（operating mode）。電源模式是一個電源域里logic和RAM電源狀態(tài)的正常組合，以及相關(guān)的時鐘、復(fù)位和隔離控制。而操作模式代表電源模式的配置。例如，在電源模式是ON的時候，F(xiàn)ull L3 cache ON, 1/2 L3 cache ON, 1/4 L3 cache ON是電源模式ON的三種操作模式。

P_Channel接口如下

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.

DynamIQ處理器系統(tǒng)中，每個CPU core都有對應(yīng)的P-channel, DSU cluster層面還有一個P-channel。DynamIQ CPU core在PACTIVE信號上提供當(dāng)前要求power mode, power controller可以通過PREQ和PSTATE表示決定和要求的改變。CPU硬件然后進(jìn)行這個電源模式的必要操作，例如停掉時鐘，涮cache，退出一致性維護(hù)等。

以一個CPU核的power down為例：

１. 運(yùn)行在這個核上的軟件保護(hù)寄存器上下文之后，設(shè)置CPUPWRCTLR 寄存器的CORE_PWRDN_EN bit, 然后執(zhí)行WFI指令。這會導(dǎo)致CPU的COREPACTIVE輸出表示可以進(jìn)入到OFF電源模式
２. PPU通過P-Channel請求OFF
３. CPU hardware進(jìn)行自動硬件L1數(shù)據(jù)cache和L2 cache的flush操作
４. 這個CPU硬件將自己退出cluster一致性維護(hù)
５. CPU核通過assert COREACCEPT表示接受OFF模式
６. PPU停止CPU核的clock，使能鉗位/隔離邏輯，assert CPU核reset信號
７. PPU控制PCSM切斷CPU核的電源
８. 如果需要的話，PPU可以發(fā)送一個中斷給SCP，通知SCP電源模式轉(zhuǎn)換完成

DynamIQ系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)還讓電源管理軟件流程更加簡單，標(biāo)準(zhǔn)化，不需要像之前A1x, A5x, A7x CPU power down流程需要做一些微構(gòu)架相關(guān)的操作。
下面以A57和A55為例，看一下它們power down 流程的區(qū)別。

由上面對比可知，DynamIQ的CPU比之前的CPU流程更加簡單，因?yàn)楹芏嘣瓉砹鞒绦枰龅氖虑槎急挥布詣油瓿桑恍枰浖⑴c。

DynamIQ系統(tǒng)普遍使用GICv3中斷控制器。GICv3中斷控制器相對之前GICv2，設(shè)置了專門的wakeup request接口（GICv2利用nIRQOUT, nFIQOUT作為wakeup輸入），同時GICv3也有了專門的寄存器GICR_WAKER給軟件來設(shè)置某個GIC CPU interface對應(yīng)的CPU核的power on/power down狀態(tài)。在CPU核power down/power up的軟件流程中，需要設(shè)置GICR_WAKER寄存器來將GIC CPU interface和Redistibutor的連接斷開。當(dāng)CPU核在power down狀態(tài)，且GICR_WAKER做了相應(yīng)的設(shè)置時，發(fā)送給這個CPU核的wakeup interrupt，不再發(fā)送給GIC CPU interface，而是由GIC Redistributor通過wakerequest信號發(fā)送給SCP，從而讓SCP給這個CPU核上電。

Arm設(shè)計(jì)了PCK-600 IP，讓客戶可以更簡單地獲取和利用PPU集成到系統(tǒng)中。

Armv9 DynamIQ系統(tǒng)

Armv9 DynamIQ系統(tǒng)在之前DynamIQ的基礎(chǔ)上更近一步，直接將每個核一個的PPU和DSU cluster級的PPU集成到了DSU cluster里面，從而不需要SoC設(shè)計(jì)者去集成PPU。在DSU cluster總線接口上提供了新的Utility Bus讓SCP可以通過它訪問PPU的寄存器。

總結(jié)

Arm的電源管理硬件設(shè)計(jì)是
１、 每種CPU有自己獨(dú)特設(shè)計(jì)，通過各種信號線與power controller交互的方式進(jìn)化為采用標(biāo)準(zhǔn)的P-Channel，Q-Channel的交互方式
２、 由每個SoC特有的電源控制logic到采用標(biāo)準(zhǔn)PPU組件的方式
３、 由簡單單核電源控制到多核，到big.LITTLE, DynamIQ的復(fù)雜電源控制過程
４、 通過硬件來簡化軟件電源管理的流程的過程