4. 电源域划分与层次化设计

电源域（Power Domain，PD）是UPF中承载“哪些逻辑共享同一供电策略”的基本容器。它不是一个单纯的物理区域，而是把RTL层次、电压域（Voltage Domain，VD）和开关域（Switch Domain，SD）三种视角绑定在一起的逻辑边界。理解这三者的关系，是后续插入隔离单元、电平转换器和电源开关的前提。

先明确三个概念的分工：电压域描述“工作在什么电压”，决定是否需要电平转换；开关域描述“电源是否可被切断”，决定是否需要隔离与保持；电源域则是UPF中实际创建的对象，它通常与一个电压域和一个开关域对应，但也可以多个电源域共享同一电压域，或一个电源域内部再细分。三者的关系可以这样理解：电压域和开关域是“属性维度”，电源域是“管理单元”。

从RTL层次到电源域：划分依据与粒度选择

电源域划分的第一步是确定粒度。粒度过粗，低功耗效果差；粒度过细，隔离和电平转换单元数量激增，面积和验证成本上升。工程上通常以RTL层次中的功能子系统为基本单位，例如CPU子系统、GPU、DDR控制器、常开域等。每个子系统内部如果存在多个电压需求，可以再细分。

以示例SoC为例，RTL顶层包含五个主要子模块：u_cpu_subsys、u_gpu、u_ddr_ctrl、u_always_on以及顶层胶合逻辑。根据功能与供电需求，可以规划如下电源域：

这里PD_TOP与PD_AON共享同一电压域和开关域，但逻辑上分开管理，便于后续单独约束。注意：电源域边界不一定与RTL模块边界完全重合，但强烈建议对齐，否则边界端口处理会变得复杂。

边界、端口与feedthrough的处理

电源域边界是UPF实现中最容易出问题的地方。当信号从一个电源域穿越到另一个电源域时，需要根据两边的电压关系和开关状态决定插入什么单元。

情况一：电压不同、都常开。例如PD_CPU（0.9V）到PD_DDR（1.2V），信号从低压域到高压域，需要插入电平转换器（Level Shifter，LS）。方向为低压→高压时，通常使用带使能的LS；方向为高压→低压时，普通LS即可。UPF中通过set_level_shifter命令指定规则，工具会在边界自动插入。

情况二：一边可关断、一边常开。例如PD_GPU关断时，其输出信号会浮空，必须插入隔离单元（Isolation Cell），将信号钳位到已知电平（通常为0或1），防止常开域收到不确定值。隔离单元放在常开域一侧，由常开域的控制信号使能。UPF中使用set_isolation命令指定隔离策略、钳位值和使能信号。

情况三：可关断域需要保留状态。例如PD_DDR关断时，某些配置寄存器需要保持，此时使用保持寄存器（Retention Register）。UPF中通过set_retention指定需要保持的寄存器列表和保持电源。

情况四：feedthrough。信号从PD_A出发，穿过PD_B，到达PD_C，但PD_B并不使用该信号。此时信号在PD_B内部只是“路过”，但PD_B关断时信号会被切断。处理方式有两种：一是将feedthrough信号在PD_B边界处打拍并隔离，二是将该路径改为不经过PD_B的直连。工程上优先选择后者，减少不必要的边界单元。

UPF中的电源域创建与边界约束示例

以下示例展示如何用UPF命令创建上述电源域并设置边界规则。假设顶层为top，电源域按RTL层次划分：

# 创建电源域
create_power_domain PD_CPU -elements {u_cpu_subsys}
create_power_domain PD_GPU -elements {u_gpu}
create_power_domain PD_DDR -elements {u_ddr_ctrl}
create_power_domain PD_AON -elements {u_always_on}
create_power_domain PD_TOP -elements {.} -exclude {u_cpu_subsys u_gpu u_ddr_ctrl u_always_on}

# 创建电源开关（示例：CPU域可关断）
create_power_switch sw_cpu \
  -domain PD_CPU \
  -output_supply_port {vout VD_CPU_SW} \
  -input_supply_port {vin VD_CPU} \
  -control_port {sleep_ctrl cpu_sleep_n} \
  -on_state {on_state vin {!sleep_ctrl}}

# 设置隔离策略：PD_GPU输出到常开域时隔离
set_isolation iso_gpu \
  -domain PD_GPU \
  -isolation_power_net VD_AON \
  -isolation_ground_net VSS \
  -clamp_value 0 \
  -applies_to outputs \
  -isolation_signal gpu_iso_en

# 设置电平转换：PD_CPU到PD_DDR
set_level_shifter ls_cpu_to_ddr \
  -domain PD_CPU \
  -applies_to outputs \
  -rule low_to_high \
  -location self

# 设置保持寄存器：PD_DDR中配置寄存器
set_retention ret_ddr \
  -domain PD_DDR \
  -retention_power_net VD_AON \
  -retention_ground_net VSS \
  -elements {u_ddr_ctrl/cfg_reg[*]}

上述命令中，create_power_domain的-elements指定该域包含的RTL实例；-exclude用于顶层域排除已划分的子模块。set_isolation的-applies_to outputs表示只对输出信号隔离，-clamp_value 0表示钳位到低电平。set_level_shifter的-location self表示LS放在源域一侧，也可以设为other放在目的域一侧，或both。

层次化设计中的电源域嵌套与继承

在复杂SoC中，电源域可以嵌套。例如PD_CPU内部可以再划分PD_CPU_CORE和PD_CPU_L2，两者共享VD_CPU但开关域不同。UPF支持create_power_domain时指定-parent或通过层次路径自动继承。嵌套时需要注意：子域的边界处理规则会继承父域，但可以在子域中覆盖。例如父域设置了隔离钳位0，子域可以改为钳位1。

层次化设计的另一个关键点是电源域与RTL例化路径的对应关系。UPF中的-elements使用RTL例化名，因此RTL层次调整时UPF需要同步更新。建议在RTL稳定后再冻结电源域划分，或在UPF中使用参数化路径，减少后期维护成本。

最后，电源域划分完成后，应通过UPF的check_power_domain或工具自带检查命令验证：每个域是否有明确的电压域和开关域绑定、跨域信号是否都有对应的LS/ISO/RET策略、常开域是否确实不包含可关断逻辑。这些检查通过后，才能进入后续的电源开关插入和低功耗仿真阶段。