嵌入式Linux的低功耗策略研究

摘 要：功耗是嵌入式設備的一個(gè)十分重要的性能指標。在硬件設計和選型之后，功耗水平在極大程度上取決于軟件的設計。鑒于Lioux在嵌入式設備中的應用日益廣泛，提出在嵌入式Linux下軟件編寫(xiě)的幾種策略。通過(guò)這些軟件編寫(xiě)方式，能有效降低最終產(chǎn)品的功耗水平。
關(guān)鍵詞：嵌入式Linux功耗策略

引 言
由于Linux系統具有嵌入式操作系統需要的很多特色，如適應于多種CPU和多種硬件平臺、性能穩定、可裁剪性很好、源碼開(kāi)放、開(kāi)發(fā)和使用簡(jiǎn)單等。目前，基于Linux應用的嵌入式設備日益增多，Linux正在嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。

對于嵌入式設備尤其是移動(dòng)設備來(lái)說(shuō)，功耗是系統的重要指標，系統設計的重要目標之一就是要盡可能地降低功耗。目前，對功耗的研究主要集中在硬件解決方案上，而軟件研究方面很少。實(shí)踐證明：在硬件設計和選型確定后，功耗的高低與軟件設計有很大的關(guān)聯(lián)性。軟件設計和編程質(zhì)量的好壞，極大地影響著(zhù)最終產(chǎn)品的功耗水平。據此，為降低功耗，提出在嵌入式Linux下軟件編程的幾種策略。

1 問(wèn)題分析
因為最終耗能的是硬件，所以在考慮采用軟件方法降低功耗的時(shí)候，要充分考慮硬件的功能和性能，即在保障系統實(shí)現的基礎上怎樣組織硬件運作而使功耗降低。全速執行、待機和睡眠等行為都是利用CPU的固有能力，透過(guò)降低工作電壓或頻率來(lái)節省功耗。此外，在大多數用戶(hù)察覺(jué)不到的情況下，實(shí)際的電源管理能夠根據負載狀況逐漸改變系統的狀態(tài)，有時(shí)這種情況在l s之內可以產(chǎn)生數百次。

另外，在編寫(xiě)程序時(shí)可能會(huì )遇到這樣的情況，如記錄狀態(tài)寄存器內容，并等待設定標記出現；檢查串口的FIFO狀態(tài)標記，看是否收到數據；監測一個(gè)雙端口存儲器，以確定系統中是否有另外CPU寫(xiě)入了一個(gè)變量，以便控制共享資源。從表面上看，這樣的代碼沒(méi)有什么問(wèn)題，但在每個(gè)時(shí)鐘周期里不斷記錄寄存器狀態(tài)將無(wú)法有效延長(cháng)設備的電池壽命。

基于這些問(wèn)題，下面提出幾種策略，以有效降低最終產(chǎn)品的功耗水平。

2 利用Linux內核的電源管理
電源管理策略的基礎是調整處理器內核的工作電壓和頻率。不過(guò)，現代的嵌入式CPU具有非常高的電源效率，以至于CPU并不總是最主要的耗能組件。其他高耗能的組件包括高性能內存、顯示屏和射頻接口等，因此，如果電源管理系統只能調節CPU內核的電壓和頻率，那么它的用途將有限。一個(gè)真正有效的電源管理方案應該可以采用與CPU內核執行相協(xié)調或相獨立的方式，支持對一系列電壓和頻率的快速調節。

Linux支持兩種電源管理標準：APM(AdvancedPower Managememt)和ACPI(Advanced Configtlrationand P0wer Interface)。APM是傳統的高級電源管理方案，目前仍然使用在許多基于Linus便攜式設備中；而ACPI則提供了更為靈活的電腦和設備管理接口。這兩個(gè)標準不能同時(shí)運行。缺省情況下，Linux運行ACPI。APM可以使機器處于Suspend(懸掛)或Standby(待機)狀態(tài)，以及檢查電池容量；而ACPI還可以使外設(如顯示器、PCI)單獨斷電，在節省電能方面有更多的控制。為了讓電源管理功能生效，需要在Linux內核打開(kāi)它，并且在Linux里加載必需的應用軟件。

電源管理活動(dòng)需要對操作系統內核和設備驅動(dòng)程序進(jìn)行特殊的干預。在嵌入式Linux中，雖然低層電源管理駐留在操作系統內核中，但電源管理策略和機制來(lái)源于中介軟件和用戶(hù)應用程序代碼，如圖l所示。

Linux內核中電源管理機制負責維持整個(gè)系統的電源狀態(tài)。它可以看成是為驅動(dòng)程序、中介軟件和應用程序提供服務(wù)的元素。

通過(guò)在驅動(dòng)程序中實(shí)現電源管理接口，可以讓驅動(dòng)程序密切監控系統狀態(tài)。它們在外部事件的驅動(dòng)下，透過(guò)設定不同的狀態(tài)反映設備的工作情況。為了實(shí)現設備電源管理接口，需要實(shí)現以下操作：
①使用pm_register對設備的每個(gè)實(shí)例(instance)進(jìn)行注冊；
②在對硬件進(jìn)行操作之前調用pm_access(這樣可保證設備已被喚醒，并處于ready狀態(tài))；
③用戶(hù)自己的pnl_callback函數在系統進(jìn)入suspend狀態(tài)，或者從suspend狀態(tài)恢復的時(shí)候會(huì )被調用；
④當設備不使用時(shí)調用pm_dev_idle函數(這個(gè)操作是可選的，以增強設備idle狀態(tài)的監測能力)；
⑤當被unIoad的時(shí)候，使用pm_unreggister取消設備的注冊。

中介程序允許用戶(hù)預先定義某些策略，然后跟蹤電源狀態(tài)，執行特定的操作。

在應用程序中，利用中介程序提供的API，設立其基本的約束條件，強迫電源管理機制產(chǎn)生與其執行需求相匹配的變化。Linix電源管理的實(shí)現機制包括以下API，例如dpm_set_os()(內核)、assert_constraint()、remove_constraint()和set_operatInK―state()(內核和驅動(dòng)程序)、set_policy()和set_task_state()(經(jīng)系統的用戶(hù)級調用)以及／proc接口。

3 在空閑模式下等待事件
很多嵌入式CPU都具有能降低功耗的電源工作模式，最常用的是空閑模式。此時(shí)CPU內核指令執行部分關(guān)閉，而所有外設和中斷信號仍處于工作狀態(tài)。由于空閑模式比CPU執行指令時(shí)的功耗要小得多，因而可以在任何時(shí)候，只要Linux檢查到所有線(xiàn)程都處于阻塞狀態(tài)(如等待中斷、事件或定時(shí)時(shí)間)，它都可以將CPU置于空閑模式。任何中斷(如觸摸屏事件、按下按鍵事件等)都能把CPU從空閑模式中喚醒，然后繼續執行后面的代碼。如果事件不能直接連接到外部中斷，也可以用一個(gè)系統定時(shí)器定期喚醒CPU。例如在等待一個(gè)事件并且知道只要事件發(fā)生后在10 ms內能檢測到，那么可以啟動(dòng)lO ms定時(shí)器，并把CPU置于空閑模式。每次處理定時(shí)中斷時(shí)都要檢查事件狀態(tài)，如果狀態(tài)沒(méi)有變化，就立刻回到空閑模式。

4 減少事件
通常CPU的定時(shí)中斷間隔為1 ms，Linux會(huì )頻繁使CPU置于空閑模式，并一直維持到被中斷喚醒。在這種情況下，最有可能喚醒CPU中斷的是定時(shí)器中斷本身。即使所有其他線(xiàn)程被阻塞，在其他中斷、內部事件及長(cháng)時(shí)間延遲之前，定時(shí)器中斷也會(huì )以每秒l 00()次的頻率把CPU從空閑模式中喚醒，以運行調度程序。就算調度程序確定所有線(xiàn)路都被阻塞，并很快將CPU回復到空閑模式，這樣頻繁操作也會(huì )浪費大量電源。因此，應盡可能長(cháng)時(shí)間地將CPU置于空閑模式，而減少事件是解決這個(gè)問(wèn)題的有效途徑。通過(guò)分析代碼和系統要求，以決定是否能改變處理中斷的方式實(shí)現。例如，可以在進(jìn)入空閑模式前關(guān)閉時(shí)隙中斷信號，只有再次出現中斷信號時(shí)才被喚醒。不過(guò)，這種做法通常不太合適。盡管多數阻塞的線(xiàn)程可以直接或間接等待外部中斷，有些還依賴(lài)于定時(shí)中斷，如一個(gè)驅動(dòng)器會(huì )在等待外設時(shí)睡眠500 ms，這時(shí)空閑模式下如果完全關(guān)閉系統定時(shí)器，可能意味著(zhù)線(xiàn)路不能按時(shí)恢復工作。

Linux最好能為調度程序進(jìn)行可變超時(shí)設定。Lintux知道每個(gè)線(xiàn)程無(wú)法確定等待的是外部還是內部事件，或者計劃在某特定時(shí)間再次運行。Linux可算出第一個(gè)線(xiàn)程預定何時(shí)運行，并相應地在CPU置于空閑模式之前設定定時(shí)器工作?？勺兂瑫r(shí)設定不會(huì )對調度程序造成很大的負擔，但卻能節省電源和處理時(shí)間。

可變計劃超時(shí)限定只是減少事件的一種方法，存儲器直接存取(DMA)也可讓CPU長(cháng)時(shí)間處于空閑模式，即使數據正在發(fā)送至外設或從外設收取。所以只要可能，都應在外圍驅動(dòng)器中使用DMA，省電效果相當令人滿(mǎn)意。

例如英特爾公司StrongARM CPU串口接收FIF0時(shí)，大約每收到8個(gè)字節發(fā)生1次中斷，在115 2OO bps．速度下，發(fā)送到這個(gè)端口的11 KB脈沖數據會(huì )引起CPU內核每秒中斷l 500次，很可能使其從空閑模式中喚醒；但如果實(shí)際上不需要在這些小的8字節設備中處理數據，浪費是很驚人的。DMA最好與大容量緩沖器一起使用，以使中斷發(fā)生的水平更加容易管理，或許是每秒10次或l00次，讓CPU在兩次中斷之間空閑。事實(shí)證明，在這些場(chǎng)合應用DMA能減少使用率達20％，可降低CPU功耗，并提高供其他線(xiàn)程使用的CPU帶寬。

5 控制CPU的性能
CPU在降低功耗方面的最新進(jìn)展表明，CPU消耗的能量與驅動(dòng)CPU的時(shí)鐘頻率以及應用其內核上的電壓平方成正比。

CPU允許動(dòng)態(tài)降低時(shí)鐘速度。降低一半時(shí)鐘速度，功耗將成比例下降。但是僅采用這種技術(shù)實(shí)現節能，還需要一些技巧．因為執行的代碼可能要兩倍長(cháng)的時(shí)間才能完成，即使這樣也不會(huì )省電。例如，板上LCD控制器需要使用一個(gè)儲存在片外SDRAM中的幀緩存。當LCD控制器工作時(shí)，需要指定足夠高的內存總線(xiàn)頻率來(lái)滿(mǎn)足顯示器刷新速率的需要。在LCD不工作的情況下(例如當PDA僅作為MP3播放器使用時(shí))，降低SDRAM總線(xiàn)頻率，可以節省整個(gè)系統的功耗。

動(dòng)態(tài)降低電壓是另一種做法。越來(lái)越多的CPU允許降低電壓，以適應CPU時(shí)鐘速度的下降，這樣在降低時(shí)鐘速度時(shí)也能省電。事實(shí)上，只要CPU不飽和，頻率和電壓就能不斷減少，這樣還是能完成工作，而消耗的電源總體上卻比較低。

考慮到并不是所有線(xiàn)程都消耗同樣多CPU帶寬，所以即使這些方法也還是可以改進(jìn)的。有效應用CPU帶寬的線(xiàn)程，會(huì )隨著(zhù)CPU時(shí)鐘速度下降而花更長(cháng)的時(shí)間才能完成，這些線(xiàn)程使用分配給它們的每一個(gè)周期。另一方面，I／O線(xiàn)程采用分配給它的所有CPU周期，即便CPU時(shí)鐘速率下降，也要用同樣長(cháng)的時(shí)間才能完成。例如，像很多PDA使用的PCMCIA卡接口，當數據寫(xiě)人快閃存儲卡時(shí)，系統瓶頸不是CPU的速度，而是物理總線(xiàn)接口以及卡的固件為擦掉和重新編程閃存所花的時(shí)間。理想情況下，前面討論的等待事件的技術(shù)可在這里應用，以最大程度降低功耗，但是等待時(shí)間經(jīng)常變化很大，遠小于操作系統運行時(shí)間，這樣會(huì )影響到性能。這些驅動(dòng)程序常常檢測狀態(tài)寄存器，此時(shí)降低時(shí)鐘速度將節省一部分電源，但會(huì )對數據寫(xiě)入卡的時(shí)間產(chǎn)生輕微影響。

使用控制CPU性能的策略，要知道何時(shí)能降低時(shí)鐘頻率和電壓而不會(huì )顯著(zhù)影響性能；考慮什么時(shí)候降低驅動(dòng)器和應用程序的時(shí)鐘速度比較難處理。這在多任務(wù)處理環(huán)境中更加富有技巧性。

6 結 論
近年來(lái)隨著(zhù)計算機和網(wǎng)絡(luò )通信、消費電子合一的加速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品成為信息產(chǎn)業(yè)的主流。Linux在短短的十幾年時(shí)間已經(jīng)發(fā)展成為功能強大設計完善的操作系統之一，可運行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多種硬件平臺上，而且開(kāi)放源代碼，并可以定制，越來(lái)越多的企業(yè)和研發(fā)機構都轉向嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)和研究上。本文在系統分析的基礎上，研究了在嵌入式Linux系統中通過(guò)優(yōu)化軟件編寫(xiě)機制來(lái)降低最終產(chǎn)品功耗水平的方法，具有很強的實(shí)際應用意義。隨著(zhù)研究的深入，嵌入式Linux必將顯示出其在低功耗方面的優(yōu)越性，將有更多的嵌入式設備普及Linux應用。