电源控制系统架构（PCSA）之系统分区电压域

目录

4.1 电压域

4.1.1 系统逻辑

4.1.2 Always-On逻辑

4.1.3 处理器Clusters

4.1.4 图形处理器

4.1.5 其他功能

4.1.6 SoC分区示例

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本章描述基于Arm组件的SoC划分为电压域和电源域。
所描述的选择并不详尽，只是可能性的一个子集。目的是描述基于Arm组件的SoC划分到这些域的重要因素和考虑因素，以及必须维护的关键关系。

本章分为以下几节:

•4.1电压域
•4.2电源域

注意:在许多SoC操作场景中，动态功耗占主导地位，因此时钟策略至关重要。该主题将在7.1时钟控制集成中从高级时钟门控和实现的角度进行讨论。从时钟域分区的角度来看，这些注意事项是特定于实现的。

4.1 电压域

电压域在这里被定义为由单个电压源提供的设计元素的集合。由于功率或性能原因，域的电压供应可能会被缩放或移除。
在实践中，SoC可以跨逻辑域、I/O和模拟功能具有许多电压供应。在本文档中，范围仅限于讨论逻辑域的主要供应。如果逻辑域存在次要电源考虑因素，则认为这些是物理实现特定的细节，超出了本文的范围。

虽然单个逻辑电压电源可以用于所有SoC，但除了在低复杂性解决方案中，这种情况现在很少出现。

额外电压域的主要动机是支持SoC功能区域的DVFS。DVFS是能源和性能优化的基本技术。虽然最初用于AP核心，但它越来越多地应用于SoC的其他组件。

第二个动机可能是启用外部供应关闭，或将某些逻辑区域减少到非功能状态保留级别，同时保持对其他逻辑区域的操作级别供应。这种方法既可以作为片上功率门控的补充，也可以作为片上功率门控的替代。

从成本的角度来看，电压电源的增加可能是重要的，因为需要额外的稳压器，并且在SoC物理实现中需要额外的努力和复杂性。这些因素的结果是，证明电压域所需的函数大小或面积是显著的。因此，必须根据设计的性能和功率要求仔细评估每个电压域的附加值。

以下小节概述了系统主要电压域的选项。

4.1.1 系统逻辑

SoC将具有一些共享的系统逻辑功能，通常由互连、存储系统、外设和其他共享基础设施组成。

考虑将这些功能的电压供应作为SoC的默认供应是方便的。这个电压域中包含的确切函数取决于为支持每个函数的附加电压域所采取的选择。这个供应在这里被称为VSYS。

SoC系统逻辑DVFS是可能的，但必须解决以下挑战：

1. 外设功能，如定时器和外部接口，通常有固定的频率要求，不能调节。这可以通过实现特定的时间约束组合来解决，以确保这些功能可以在所有工作点上以所需的频率运行，并限制电压调节的资源活动。
2. 内存系统的扩展从DDR PHY和内存定时设置的角度提出了挑战。这些问题的解决方案超出了本文档的范围。

系统逻辑本身也可以有电压域分区。这方面的一个例子可能是将内存系统与其他系统逻辑分离，以便独立地扩展两个域。

4.1.2 Always-On逻辑

Always-On的逻辑是必需的，因此SoC可以从睡眠状态唤醒。
SoC的常开逻辑的电源通常是主系统逻辑电源(VSYS)，见4.1.1系统逻辑。
然而，第二个常见策略是为该逻辑提供专用的供应。这是一个电压域可能很小的例子。
与此选择相关的电源域策略在4.2.4 Always-On Domain中进行了描述。

4.1.3 处理器Clusters

在大多数市场和移动soc中，Cortex-A系列处理器cluster将具有专用电压域来支持DVFS。

在Arm基于DynamIQ的big.LITTLE系统一个cluster支持两种核心类型。这些系统中的cluster建议使用独立于大核和小核的电压电源。这可能是主逻辑电源(VSYS)或作为调节存储系统电压电源的一部分。

在不需要DVFS或成本太高的应用程序中，处理器集群位于VSYS域中。
在某些应用中，例如调制解调器，Cortex-R配置处理器集群也可能被赋予专用电压域。

4.1.4 图形处理器

移动应用程序中的图形处理性能已经显著提高，预计还将继续提高。GPU工作负载代表吞吐量处理，具有非常高的固有并行性，并且非常适合使用DVFS使给定硬件配置的性能和能耗概况适应帧级截止日期。

这些属性还可以适应不同的需求。以成本为中心的设计可以在更高的频率和电压下实现更少的内核，而以能源性能为中心的设计可以在更低的频率和电压下实现更多的内核。

因此，通常会实现一个专用的电压域来支持GPU DVFS，以实现这些优势。

在不需要DVFS的应用程序中，或者认为成本大于收益，那么GPU集群就在VSYS域中。

4.1.5 其他功能

随着成本效益比和实现可行性的降低，进一步的电压域划分不太常见。

一个例子可能是集成调制解调器，它实际上是系统中的系统，因为这是一个非常大的功能。在这种情况下，动力可能来自根据模式或所需性能进行调节的潜力，以及在其他功能的外部电压供应关闭时进行独立供电的潜力。

出于DVFS扩展的原因，第二种可能性可能来自其他媒体处理功能，例如视频和显示子系统，或者专用于大型加速器(例如成像加速器)的域。
与前面的情况一样，所有没有专用域的函数都在VSYS域中。

4.1.6 SoC分区示例

图4.1适应图3.1的组件，以提供移动系统的简化电压域划分示例。

这是一个big.LITTLE系统具有用于每个大内核、LITTLE内核和GPU的独立DVFS的电压域。big.LITTLE实现采用Arm DynamIQ技术，cluster采用系统逻辑供电。集成调制解调器还具有独立的电压域。

成本较低的实现可能将支持DVFS的核心的单一电压域作为最低要求，但也可能仅限于单一核心类型。此外，较低成本的实现可能会排除调制解调器及其相关电压域。