【ARM AMBA Q_Channel 详细介绍】

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1.1 Q_Channel 概述

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。

1.2 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。

1.2.1 Q-Channel 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

Q-channel 的接口信号很简单，只有四根，如下图所示（n代表低电平有效）：

设备端可以通过QACTIVE信号告诉控制器端自己的工作状态，QACTIVE为0时表示设备处于静止状态。但是，控制器端既可以根据QACTIVE 发出请求 QREQn，也可以根据其它的条件发出请求。也就是说控制器并不完全依赖于 QACTIVE。所以我们可以看到 Q-channel 的握手协议其实不依赖 QACTIVE。

对于QACTIVE信号，设备端需要有拉高QACTIVE信号的能力。再通俗一点，当设备处于时钟关断或者电源关断的状态下，需要有能力告诉控制器，自己需要启动了。如果设备没有这种能力，那就需要在系统级来做一些工作保证设备可以再运转。总之一句话，做设计的时候一定要避免设备睡下就再也起不来这种情况。

1.2.2 Q-Channel 接口的握手状态

ARM 对 Q-Channel 的 interface，定义了几种握手状态：

以下是编码：


下图是各个握手状态的切换：

1.2.3 握手信号规则

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

1.3 P_Channel的握手协议

1.3.1 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。

1.3.2 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。

1.4 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，组合分为下节 2 种情况。

1.4.1 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。

1.4.2 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。

1.5 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。

1.5.1 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;
• T6时刻，进入Q_STOPPED状态。

1.5.2 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。

1.6 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。

1.7 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。