Arm SoC的电源和时钟管理详解

本文讨论的是基于ARM IP的大规模SoC中的电源（时钟，复位等）管理，适用于众核处理器，手机SoC，汽车SoC等等。如果是小规模的设计可能就不适用了，比如MCU或者是简单应用的IoT芯片。

关于芯片电源管理，想到了一个比喻，不一定特别贴切，大家权当一乐。用众核处理器举例，AP可以比作企业/行业；SCP比作中央银行；功耗可以比作资金，企业有了资金就可以开足马力生产，反之就要降低产能。至于BMC嘛，大家都懂。

从宏观角度看，BMC监控着整个设备环境，拥有着至高无上的权力，但是一般不直接参与管理。当系统环境变差（经济过热），BMC给SCP（或者是MSCP，总之一个意思）下发命令。随后SCP根据命令适当降低整个多核CPU的功耗（收紧银根，降低资金流动性），但是这个过程中，SCP可能会降低所有的AP功耗；也有可能是关闭一些AP（治理某些过热企业/行业），保留另外的AP全速工作。反过来，当系统环境比较好的时候，BMC告诉SCP可以放宽功耗（货币宽松）。

从微观角度看，也就是每个AP可以根据自己的需求，向SCP发送请求。比如，工作负载大的时候，要求升压超频（申请拨款或者批贷）；或者，工作负载小的时候，要求减压降频。这里有一个要求，一个AP不能直接控制SoC或者其它AP的功耗，只能与SCP通信，由SCP来完成。这好理解，虽然所有企业共享一个资金池，但是一家企业不能直接去抢别的企业的配额。

“治大国如烹小鲜”，很多事情道理是相通的。

回到我们关心的芯片设计，要完成整个芯片的电源管理，需要软硬件结合。一般，上层软件部分交给操作系统（Linux和Android等）；下层软件由固件（Firmware）实现；硬件部分由SCP，MHU，PPU这些模块构成，当然Core也需要有相关的硬件支持。这也就是所谓的分层管理机制。

一句话总结，SCP直接控制SoC的电源和时钟，而AP通过硬件和软件接口协同管理。充分理解下面三张图，就明了了。

图一：SCP和AP共同完成电源和时钟管理

图二：SCP负责硬件管理

图三：Linux电源和时钟管理软件栈

对于我们这些逻辑设计工程师来说，仅仅了解硬件设计是不够的，还要了解软硬件之间的接口。只有清楚了软件如何去调用硬件，才能更好的设计硬件。

先来了解一下SoC中电源和时钟管理的硬件架构：

ARM系列 -- PCSA（一）

ARM系列 -- PCSA（二）

ARM系列 -- PPU

接下来是软硬件协同的部分，主要是MHU，PSCI和SCMI：

ARM系列 -- PSCI

ARM系列 -- CSS Message Interface Protocols

ARM系列 -- SCMI

与一些老牌芯片公司比，ARM在芯片电源管理方面做的算不上完美，一部分原因是ARM起步比较晚，尤其是服务器处理器领域里技术积累比较少，而且ARM目前只是作为IP供应商，本身并不量产芯片。至于其它原因，见仁见智，大家自行分析吧。但是，ARM为我们提供了一个较为完整的可参考的方案。那些老牌公司做的再好再完美，不对外开放啊，至多也就是通过公开发表的文章窥探一二。“双鸟在林不如一鸟在手”，是这个道理吧？有时候横向比较技术是没有什么意义的。

本人没有就职于ARM，也不是为ARM鼓吹，仅仅是出于对技术的好奇心写了一系列文章。由于本人水平有限，难免有错误之处，请大家指正。

审核编辑：汤梓红