AMBA低功耗接口Q-channel和P-channel介绍

参考博文：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。用于实现power控制功能。目前，AMBA里面，包含2种低功耗接口。

• Q-Channel：实现简单的power控制，如上电，下电。
• P-Channel：实现复杂的power控制，如全上电，半上电，1/4上电等。

ARM引入这2种低功耗接口，是为了满足不同的应用场景下，对power的控制。

在一些场景下，组件只有两种power状态，分别为power-up，power-down。因此对这种组件的power控制，只需要对其上电，断电即可。用Q-Channel，即可实现。

而在另外的场景下，组件拥有多种power状态，比如全上电，半上电，1/4上电等。因此对这种组件的power控制，就要复杂很多，不能简单的对其上电，断电即可，还需要额外的一些控制。此时，用Q-Channel，就不合适了，需要使用P-Channel。

比如在DynamlQ技术中，引入了L3 cache，并且每个core拥有自己的L1 cache，L2 cache，这样，整个系统中，cache的容量就变大了，相应的，消耗在cache上的功耗，也增多了。此时，就需要复杂的对cache的power控制，来实现低功耗，比如对L3 cache，1/4上电，也就是只有1/4的L3 cache工作，其余的都断电，以此来节省功耗。此时，就要用到P-Channel。

 

一、Q-Channel

Q-Channel是从AXI的低功耗接口中，演变过来。但是可以向后兼容。

1、接口

以下是Q-Channel的接口：

分为device端和power controller端（下文均简称为PMU）。device端，就是需要被电源控制的组件，比如core，外设等。PMU端，就是提供电源管理的组件。

在Q-Channel中，将device的power状态，分成了2种，

• operational状态： device处于工作状态，简单理解为上电状态，下文称为上电状态
• quiescent状态：device处于停止状态，简单理解为断电状态，下文称为断电状态

接口如下：

信号	说明
QACTIVE	提供给device，向PMU发送power请求，更改自己的power状态 为高，表示device需要PMU将自己置为上电状态 为低，表示device需要PMU将自己置为断点状态
QREQn	power controller发送power请求信号 为高，表示上电 为低，表示断电
QACCEPTn	为高，表示device接受外部power请求
QDENY	为高，表示device拒绝外部power请求

2、Q-Channel接口的握手状态

ARM对Q-Channel的interface，定义了几种握手状态：

• Q_RUN:      device处于上电状态。
• Q_REQUEST： device处于上电状态，但是在idle状态时，可以接收power request，进入断电状态。
• Q_STOPPED： device进入了断电状态。
• Q_EXIT： 等待被提供时钟或者power的状态。当device得到外部提供的时钟或者power时，将QACCEPTn拉高，进入Q_RUN状态。
• Q_DENIED:     device拒绝外部power的请求，不进入断电状态，而保持上电状态。
• Q_CONTINUE： PMU在Q_DENIED状态后，将QREQn拉高后的状态。

  以下是编码：

下图是各个握手状态的切换：

对于握手信号，有以下的规则：

• QREQn只能在QACCEPTn为高并且QDENY为低时，才可以从高变为低。
• QREQn满足以下条件，才可以从低变为高
  • QACCEPTn和QDENY都为低
  • QACCEPTn和QDENY都为高
• QACCEPTn只能在QREQn和QDENY都为低情况下，才可以从高变为低
• QACCEPTn只能在QREQn和QDENY都为高情况下，才可以从低变为高
• QDENY只能在QREQn和QACCEPTn都为高情况下，才可以从高变为低
• QDENY只能在QREQn为低并且QACCEPTn为高情况下，才可以从低变为高

上面的这些原则，在设计Q-Channel时，需要遵守的。

3、Q_Channel的握手协议

3.1、device接受PMU的power请求

以下是握手协议时序图：

在T1，QREQn和QACCEPTn为高，Q_Channel进入Q_RUN状态。

在T2，QREQn为低，PMU请求device进入断电状态，然后等待外设响应，此时Q_Channel进入Q_REQUEST状态。

在T3，QACCEPTn为低，表示device接收PMU的请求，将自己进入断电状态。此时Q_Channel进入Q_STOPPED状态。

在T4，QREQn为高，PMU请求device进入上电状态，然后等待外设响应。此时Q_Channel进入Q_EXIT状态。

在T5，QACCEPTn为高，表示device接收PMU的请求，将自己进入上电状态。此时Q_Channel进入Q_RUN状态。

3.2、device拒绝PMU的power请求

当外部PMU给device发送power请求，device可以拒绝该power请求。PMU收到device的拒绝响应后，应取消该power请求。

在T1，QREQn和QACCEPTn为高，Q_Channel进入Q_RUN状态。

在T2，QREQn为低，PMU请求device进入断电状态，然后等待外设响应，此时Q_Channel进入Q_REQUEST状态。

在T3，QDENY为高，表示device拒绝PMU的请求，自己保持上电状态。此时Q_Channel进入Q_DENIED状态。

在T4，PMU接收到device的拒绝响应，将QREQn拉高，PMU请求device进入上电状态，然后等待外设响应。此时Q_Channel进入Q_CONTINUE状态。

在T5，QDENY为低，表示device接收PMU的上电请求，将自己保持上电状态。此时Q_Channel进入Q_RUN状态。

4、device复位信号与Q_Channel的结合

复位信号，需要和Q_Channel的信号，进行组合。一般来说，复位信号，也会由PMU来控制。

组合分为以下2种情况。

4.1、RESETn复位无效时，QREQn为低

    T2时刻，RESETn为高，复位取消。

T3时刻，QREQn为高，PMU向device请求上电。Q_Channel进入Q_EXIT状态。

T4时刻，QACCEPTn为高，device接受PMU的上电请求。Q_Channel进入Q_RUN状态。

T5时刻，QREQn为低，PMU向device请求断电，Q_Channel进入Q_REQUEST状态。T6时刻，QACCEPTn为低，device接受PMU的断电请求。Q_Channel进入Q_STOPPED。

T7时刻，将RESETn拉低。

4.2、RESETn复位有效时，QREQn为高

T2时刻，QREQn拉高，PMU向device请求上电。Q_Channel进入Q_EXIT状态。

T3时刻，因为RESETn为低，复位有效，device将QACCEPTn保持为低，Q_Channel保持Q_EXIT状态。

T4时刻，因为RESETn为高，复位无效。device将QACCEPTn拉低，响应PMU的上电请求。Q_Channel进入Q_RUN状态。

T5时刻，QREQn拉低，PMU向device请求断电，Q_Channel进入Q_REQUEST状态。

T6时刻，device将QACCEPTn拉低，响应PMU的断电请求。Q_Channel进入Q_STOPPED状态。

T7时刻，RESETn拉低。

5、QACTIVE

QACTIVE，是提供给device，给PMU发送power请求的信号。可以由多个来源的组合。如果为高，那么PMU要给自己上电，并且之后，不能给自己断电。

QACTIVE和握手信号（QREQn，QACCEPTn，QDENY）是独立开的。

5.1、请求上电和请求下电

T1时刻，device将QACTIVE拉高，向PMU发起退出断电请求。T2时刻，PMU将QREQn拉高，Q_Channel进入Q_EXIT状态，T3时刻，进入Q_RUN状态。

    T4时刻，device将QACTIVE拉低，device向PMU发起进入断电请求。T5时刻，PMU将QREQn拉低，Q_Channel进入Q_REQUEST状态，在T6时刻，进入Q_STOPPED状态。

5.2、PMU不允许断电

T1时刻，device将QACTIVE拉高，向PMU发起上电请求。T2时刻，PMU将QREQn拉高，Q_Channel进入Q_EXIT状态，T3时刻，进入Q_RUN状态。之后，device处于上电状态。

T4时刻，PMU将QREQn拉低，PMU想让device进入断电状态，但是QACTIVE为高，表示device要一直处于上电状态。因此QACCEPTn持续保持高，Q_Channel一直维持在Q_REQUEST状态。device维持在上电状态。

T5时刻，因为之前QACTIVE拉低，device想进入断电状态，device将QACCEPTn拉低，响应PMU的断电请求，然后Q_Channel进入Q_STOPPED状态。device进入断点状态。

6、Q_Channel的实现

一般来说，device和PMU的时钟是异步时钟。因此，需要一些同步化。

下图是同步化的框图：

ARM提供了以下的一些实现指导：

• 被使用的所有信号，都需要进行同步化
• 只有当Q_Channel进入Q_STOPPED状态是，才可以将时钟和power给关掉
• 为了保证握手信号的正确性，QREQn，QACCEPTn，QDENY需要使用寄存器直接输出
• QACTIVE使用寄存器直接输出，或者是相关寄存器输出的组合输出。ARM强烈建议组合输出，使用或门。

7、Q_Channel的向后兼容

Q_Channel是从AXI的低功耗结构，演化过来。但是Q_Channel也可以兼容AXI的低功耗接口。

如下图，device使用AXI的低功耗接口，PMU使用Q_Channel。只需要按照如下的连接进行连接即可。

如下图，device使用Q_Channel，PMU使用AXI的低功耗接口，只需要按照如下的连接进行连接即可。

 

P_Channel

为了满足复杂的power管理的需求，arm提供了P_Channel的低功耗接口，来满足这样的应用场景。

 

一、P_Channel

P_Channel，提出了一个概念，叫power state transition，power状态的切换。在P_Channel的应用场景中，power的状态有很多，这个是实现自己定义的。power的各个状态之间，是可以切换的。

2个最基本的状态：

• lower-power状态：在这个状态下，power消耗比较少，device处于低功耗状态（具有部分功能）
• higher-power状态：在这个状态，power消耗比较大，device处于正常状态（具有完整功能）

1、接口

以下是P_Channel接口。

分为device端和power控制端（下文简称PMU）。

信号	说明	驱动端
PACTIVE [N-1:0]	提供wakeup功能	device
PSTATE [M-1:0]	需要切换的目的power状态	PMU
PREQ	为高，表示power状态切换请求	PMU
PACCEPT	为高，表示device接受power状态切换请求	device
PDENY	为高，表示device拒绝power状态切换请求	device

PACCEPT和PDENY在握手中，只能有一个为高。PACCEPT表示接受请求，PDENY表示拒绝请求。

PACCEPT，PDENY，PREQ，PSTATE，必须是从寄存器直接输出。

2、P_Channel接口握手状态    

对P_Channel的接口，arm也定义了一些握手状态。不过状态，有加入了RESETn信号的影响。

• P_RESET： device处于reset状态
• P_STABLE: device处于非reset状态，并且PMU没有发送power状态切换请求
• P_REQUEST： PMU向device发送power状态切换请求
• P_ACCEPT： device接受PMU的power状态切换请求
• P_DENIED： device拒绝PMU的power状态切换请求
• P_COMPLETE： device接受PMU的power状态切换请求后，PMU取消power状态切换请求
• P_CONTINUE: device拒绝PMU的power状态切换请求后，PMU取消power状态切换请求

编码：

以下是状态转移图：

握手协议规则：

• PREQ只有在PACCEPT和PDENY都为低情况下，才可以从低变为高
• PREQ要满足以下的任意条件，才可以从高变为低：
  • PACCETP是高，PDENY为低
  • PACCEPT为低，PDENY为高
• PSTATE满足以下的任意条件，才可以变化：
  • PREQ，PACCEPT，PDENY都为低
  • PREQ和PDENY为高，PACCEPT为低
• PACCEPT只有在PREQ为高，并且PDENY为低，才可以从低变为高
• PACCETP只有在PREQ为低，并且PDENY为低，才可以从高变为低
• PDENY只有在PREQ为高，并且PACCEPT为低，才可以从低变为高
• PDENY只有在PREQ为低，并且PACCEPT为低，才可以从高变为低

3、P_Channel的握手协议

握手协议，涉及到PREQ，PSTATE，PACCEPT，PENDY这4个信号。

3.1、device接受power状态切换

下图是该时序图：

在T2时刻之前，P_Channel处于P_STATBLE状态。

T2时刻，PMU拉高PREQ，将PSTATE置为STATE B。向device发送power状态切换请求，请求将device切换到STATE B的power状态。P_Channel进入P_REQUEST状态。

T3时刻，device将PACCEPT拉高，表示接受PMU的power状态切换请求。P_Channel进入P_ACCEPT状态。

T4时刻，PMU接收device的PACCEPT响应，拉低PREQ，取消请求。P_Channel进入P_COMPLETE状态。

T5时刻，device将PACCEPT拉低，表示完成power状态切换。P_Channel进入P_STABLE状态。

3.2、device拒绝power状态切换

下图是时序图：

T2时刻以前，P_Channel处于P_STABLE状态。

T2时刻，PMU将PREQ拉高，将PSTATE置为STATE B。向device发送power状态切换请求，请求将device切换到STATE B的power状态。P_Channel进入P_REQUEST状态。

T3时刻，device将PDENY拉高，表示拒绝PMU的power切换请求。P_Channel进入P_DENIED状态。

T4时刻，PMU接收到device的PDENY响应，将PREQ拉低，取消请求，并且把PSTATE置为STATE A。P_Channel进入P_CONTINUE状态。

T5时刻，device将PDENY拉低，P_Channel进入P_STABLE状态。

4、device的复位和初始化

device在复位时，必须将PACCEPT和PDENY置为低，但对PACTIVE没有要求。

P_Channel的状态为P_STABLE时，device的复位信号，才可以设置为有效。

当device的复位无效时，device要进入初始化，此时PMU要设置PSTATE信号值，device会在复位之后，采样该信号值，从而采用合适的初始化流程。PSTATE要在复位信号无效后要保持稳定。

device，要提供一个初始化周期时间，tinit。用来表示，复位之后，PSTATE需要保持多久时间，供device初始化使用。PSTATE在tinit时间之内，必须要保持稳定。

以下是时序图：

T1时刻之前，RESETn为低，复位有效，P_Channel处于P_RESET状态。

T1时刻，RESETn为高，PMU将PSTATE置为STATE A。P_Channel进入P_STABLE状态。

T2时刻，由于tinit的限制，PMU要将PSTATE一直保持在STATE A，以便device正确的初始化。device必须要在tinit时间内，采样PSTATE。此后，PMU就可以发送power切换请求了。

T3时刻，PMU将PREQ置高，并且将PSTATE置为STATE B，发送power切换请求。P_Channel进入P_REQUEST状态。

T4时刻，device将PACCEPT拉高，表示接受PMU的power状态切换请求。P_Channel进入P_ACCEPT状态。

T5时刻，PMU接收device的PACCEPT响应，拉低PREQ，取消请求。P_Channel进入P_COMPLETE状态。

T6时刻，device将PACCEPT拉低，表示完成power状态切换。P_Channel进入P_STABLE状态。

T7时刻，P_Channel在P_STATBLE状态，可以进行复位，外部拉低RESETn，P_Channel进入P_RESET状态。

下图，展示了，当复位时，PMU发送power切换情况的时序图。

T1时刻，PMU将PREQ拉高，并置PSTATE为STATE A，但是复位信号有效，device不接收PMU请求。P_Channel保持为P_RESET状态。

T2时刻，复位信号释放，因为PREQ为高，P_Channel进入P_REQUEST状态。device接收PMU的power切换请求。

之后的就和上面的分析原理是一样的了。

下图，展示了，复位后，PMU发送使device进入STATE A的power状态请求，当该转换完成后，PMU又继续发送使device进入STATE B的power状态请求。

PMU在发送下一个power切换请求前，必须保证上一个power切换请求，传输完毕。

5、多个power状态切换

利用P_Channel，PMU可以使device，来回切换不同的power状态。

在T0，device处于STATE A状态。

在T1到T4，通过P_Channel，使device进入STATE B状态。在T4，P_Channel进入P_STABLE状态。

在T5-T8，通过P_Channel，使device进入STATE C状态。在T8，P_Channel进入P_STABLE状态。

6、PACTIVE

PACTIVE，提供给device给PMU发送请求。PACTIVE的每一个bit，表示一种请求。bit为高，表示device发送请求给PMU，让PMU处理，bit为低，表示device没有发送请求给PMU处理。

PACTIVE和握手协议，是独立开的。PACTIVE是设计自定义的，请求完全自己定义。当然，也可以不使用PACTIVE，如果不是用PACTIVE，需要将PACTIVE置为0。

以下是PACTIVE的例子：

PACTIVE有3个bit，每个bit，映射到一个power状态，MSB具有高优先级。

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

T1时刻，device将PACTIVE设置为3'b011，表示device向PMU发送power切换请求，将自己切换为STATE B。

PMU接收到device的请求后，从T2到T5，向device发送power切换请求，并且切换到STATE B状态。最后P_Channel进入P_STABLE状态。

T6时刻，device将PACTIVE设置为3'b111，表示device向PMU发送power切换请求，将自己切换为STATE C。

PMU接收到device的请求后，从T7到T10，向device发送power切换请求，并且切换到STATE C状态。最后P_Channel进入P_STABLE状态。

7、对于device，需要提供的信息

为了PMU的设计的正确性，device需要向PMU提供以下的一些信息：

• device支持的power状态，包括以下：
  • PSTATE定义和编码
  • PACTIVE每个bit代表的请求
  • 用于初始化power状态，推荐的PACTIVE输出
  • PACTIVE需要被忽略，或者一直置0的bit信息
• power状态的切换，包括以下：
  • power状态切换之后的device行为
  • device拒绝power状态切换的条件
• 复位释放后，用于初始化device的PSTATE的合理值
• tinit值

8、实现

对于device和PMU来说，有各自的时钟，因此他们的时钟，是当成异步来进行处理的，所以需要同步化的操作。

下图展示了，P_Channel的实现框图：

对于PSTATE，PREQ，PACCETP，PDENY，需要从寄存器直接输出，在接收端，需要使用同步器，对异步输入信号进行同步化输出。

对于PACTIVE，如果是多个来源的组合，ARM建议使用或门来实现。并且每个对PACTIVE贡献的来源，必须是寄存器直接输出。

 

9、P_Channel使用例子

以下是P_Channel使用的2个例子。

9.1、独立的power domain使用P_Channel

device0处于power domain0，PMU使用PD0来控制。

device1处于power domain1和power domain2，PMU使用PD1和PD2来分别控制。

9.2、父子关系的power domain使用P_Channel

device1内部有3个power domain，分别为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个P_Channel接口，但是都是在power domain0中。