AMBA低功耗接口之Q_Channel

本文选自极术专栏Arm AMBA 协议集的文章。文章将介绍Q-Channel的知识。

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。

访问时返回其值。

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：

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。

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P-Channel时，需要遵守的。

**3、P_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。