PPU (power policy unit)

写在前边

最近在做低功耗验证，项目中涉及到PPU这一块儿，在家查了好久资料，发现能找到的有价值的文章真的好少，机缘巧合之下，让我找到下边总结，分享出来，希望对和我有相同境遇的小伙伴带来帮助，如果你有更好的更全面的资料，也希望分享于我，多谢!

PPU （ Power Policy Unit ），这是一个用于电源管理的组件（也可以说是一个小 IP ）。系统控制器通过这个组件来管理 SoC 中其它设备的电源。

PPU 作为一个电源管理的组件，提供了系统控制与设备间的电源握手协议，真正的底层控制部分放在了外面，需要一个额外的状态机辅助完成。这也好理解，对于不同的设备，可能需要的电源控制场景不尽相同，比如有的模块可能只做时钟关断（clock gating），有的模块需要实现电源关断（ power gating ），在关闭设备电源的情况下，又可以区分多种细分需求，比如是不是要做逻辑或者存储的状态保留（retention）；逻辑和存储是不是可以分别关断等等。各种条件做一下排列组合，可能会有很多种需求。举个例子，拿 CMN 中的系统缓存（HN-F ）来说，逻辑部分， snoop filter （ SF ）部分， SLC RAM 部分的电源可以分别控制；SLC RAM 部分支持 ON/OFF/RET 三种电源状态，而且 SLC RAM 在物理上分为两个 bank ，可以选择开一个 bank ，也可以选择两个 bank 全开； SF 部分也支持 MEM_RET 。所有的情况如下图：

上面只是举了一个例子，实际系统中的不同设备的电源控制会更复杂，所以也很难让一个 IP 顾全这么多。因此需要根据实际需求单独实现底层控制，也就是下图中的 PCSM （ Power Control State Machine ）。诸如电源开关，retention 控制（save/restore）这些控制逻辑都是 PCSM 完成的。

从上图我们也能看出 PPU 的接口：

首先，要有系统控制器的配置通路，也就是要有一个寄存器访问接口，这个接口可能是 APB 或者其它的总线接口；
其次，PPU 要具备发送中断的能力，处理完一次电源管理事件后要能够通知给系统控制器，没有中断途径的话，系统控制器只能不断的去查询 PPU 状态，无疑会降低效率；
PPU 与被管理的设备间需要一个通信接口，就是上图中的 LPI(Low Power Interface），要么是 Q-channel，要么是 P-channel，取决于需要实现的具体功能是什么。如果 PPU 与设备间的接口是 Q-channel，那么这个 PPU 也可以被称作 Q-channel PPU；如果 PPU 与设备间的接口是 P-channel，那么这个 PPU 也可以被称作 Q-channel PPU。之所以要加以区分，是因为这两种 PPU 的配置是不一样的，且支持的模式也不一样，后面会讲;
PPU 还会提供时钟控制，复位和隔离控制（如果需要实现电源关断）给被管理的设备，如果 PPU 只是辅助完成时钟管理，那么 isolation 是不需要的;
最后，就是与 PCSM 的接口，PPU 通过 P-channel 来告诉 PCSM 当前的状态，PCSM 根据 PPU 的状态决定何时控制电源关断，retention 控制（如果需要的话）；

PPU 里面有两个模式：电源模式（ power mode ）和操作模式（operating mode）。

电源模式是一个电源域里逻辑和 RAM 电源状态的正常组合，以及相关的时钟、复位和隔离控制。而操作模式代表电源模式的配置。这话听起来有点拗口，通俗一点的解释，电源模式就是我们常说的 ON/OFF/ RET （retention）这些。

那为什么还要操作模式呢？对于 OFF 来说没啥可以再细分的了，但是对于 ON 或者 RET 来说，情况也许会复杂，回想一下前面提到的 HN-F 例子。把这些细分的场景也归入电源模式行不行呢？可以是可以，但是会把事情搞的复杂，还不如用操作模式去描述这些细分场景。PPU 里面的电源模式和操作模式是为了理清 PPU 设计，与 UPF 里面的 power state 完全不是一码事，不要混淆（不要问我为什么会混淆 … ）。

接下来慢慢扒一扒电源模式和操作模式。 PPU 支持的电源模式见下表，除了 ON/WARM_RST/OFF 是必须支持的，其它都是可选。大部分电源模式都是比较直观的，除了 OFF_EMU 和 MEM_RET_EMU 特别一点。

OFF，logic 和 RAM 电源关闭，全部状态消失，对应的工作场景就是芯片下电停止工作
ON，logic 和 RAM 的电源开启，对应的场景是芯片正常工作状态
WARM_RST，电源开启，但是 logic 处于复位状态，对应的场景是芯片某些模块刚刚完成上电启动，等待复位信号被释放，或者芯片工作过程中某些模块需要热复位，恢复到初始状态

OFF_EMU，logic 和 RAM 的电源开启，但是电源模式是 OFF 状态，也就是字面意义的“模拟 OFF”，可能的场景之一是，在芯片调试时，某些模块需要被置于 OFF 状态，但是又不能断电，否则这些模块不能被访问了
FULL_RET，logic 和 RAM 处于 retention 状态
LOGIC_RET，logic 处于 retention，RAM 关闭
MEM_RET，logic 关闭，RAM 处于 retention
其它的就不一一分析了

再来看操作模式，以下图为例，纵轴是电源模式，横轴是操作模式。绿色代表电源开启，黄色代表 retention ，红色代表电源关闭，网格代表复位，其中 RAM 可以分成两个部分，分别以及控制。也就是说 RAM 可以全开，可以全关，也可以开一半关一半，或者开一半而另一半 retention ，等等（是不是有点像前面提到的 CMN 的 SLC 例子）。比如在电源模式是 ON 的时候，如果模块全速工作，也就是全部 RAM 打开，操作模式为OPMODE_02；如果 RAM 开一半关一半（为了省电），操作模式为 OPMODE_01 ； RAM 全部关闭，只保留逻辑部分能正常工作，操作模式是 OPMODE_00 。相信有了这些讲解，大家都能看懂这张图

对于不同的电源模式下，操作模式的编码含义也不一样。有些电源模式没有操作模式，比如 OFF ，都已经关电了，就没必要再细分了。

PPU 的电源模式和操作模式编码如下，PSTATE 的低 4bit 代表电源模式，高 4bit 代表操作模式。

介绍完两种模式，一个自然而然的问题就是，模式间怎么转换？还是分开来说，电源模式的转换分为静态转换和动态转换两种。所谓静态转换，就是通过软件来设置电源策略（power policy ）， PPU 按照设置来执行；

动态转换就是通过软件设置一个最小的电源模式，PPU 可以动态变换电源模式。前面说过，不管是Q-channel PPU 还是 P-channel PPU ，都支持电源模式，但是在电源模式转换上还是有一些不同，大家可以想想是为什么

作为输入信号，用于结合软件设置启动和控制电源模式转换。

在静态转换时，对于 Q-channel PPU ，除去ON 和 WARM_RST 之间，其它电源状态转换都要求 DEVACTIVE 为低；对于 P-channel PPU ，需要遵守优先级规则。

动态电源模式转换时，除了更改编程策略外，还可以通过更改电源模式 DEVACTIVE 输入来实现模式转换。在动态电源模式转换时，PPU 还提供一种 “ 锁定 ” 功能。具体的软件操作就不讲了，感兴趣的去看手册。

操作模式的转换只发生在特定的电源模式转换中。有些电源模式没有操作模式。

关于电源模式和操作模式的设定，系统控制器通过前面提到过的配置接口， PPU_PWPR （ Power Policy Register）这个寄存器来完成。有一些模式组合不被 PPU 支持，手册里有具体的描述。

重点再来看看 PPU 的中断， PPU 会在下列事件发生后产生中断，当然这些中断也可以通过事先写 PPU_IMR （Interrupt Mask Register）寄存器来屏蔽掉。

前面也提到过， PPU 与设备间的 LPI 接口类型决定了 PPU 的类型。如果是 Q-channel PPU ，可以配置有1-8 个 Q-channel 来连接多个设备；如果是 P-channel PPU ，那么只能配置 1 个 P-channel ，连接一个设备。说到这，不得不再唠叨一下 PPU 在系统中的用法了。 PPU 与设备间的控制信号有时钟，复位和隔离，关于电源控制部分（power switch 和 retention ）则是在 PCSM 。在电源控制角度来说，控制模块的电源开关必然要控制这个模块的时钟和复位，但是反过来就不必须。所以，如果只用 PPU 做时钟管理，不考虑电源开关，在这种情况下，Q-channel 就足够了，而且一个 PPU 最好能够控制多个关联设备；如果是用 PPU做电源管理，且场景复杂的话，就必须用 P-channel 来通信，支持更多的状态，而且一个 PPU 只能控制一个模块，否则多个模块状态混在一起，其状态数量不可控了。PPU 与设备间的控制接口可以通过两种方式设置 delay ，第一种是在配置产生 PPU 的时候设置好，第二种是系统控制器在运行过程中写 PPU_DCDR

（ Device Control Delay Configuration Register ）寄存器。

对于不太大的 SoC ，全部的 PPU 可以全部直接挂在系统控制器下面； SoC 设计规模比较大的话，也可以把 PPU 与被控制设备放在一起，必要的时候， PPU 的软件接口可以挂在系统总线上。