基于Linux的智能手機省電設計

引言

智能手機中包含了很多耗能設備, 諸如MP3、MPEG- 4、Wi-Fi、數碼相機、3D 游戲等等。在手機電池容量還沒(méi)有實(shí)現質(zhì)的飛躍的前提下, 我們不得不考慮手機電源節能的問(wèn)題。我主要通過(guò)了以下四個(gè)方面來(lái)闡述在基于Linux 平臺上的智能手機的解決方案。

CPU 的選擇

盡管現在有了各種在不過(guò)多加重功耗負擔的前提下提高性能的技術(shù), 但用一個(gè)芯片來(lái)處理這么多各種各樣的任務(wù), 恐怕已經(jīng)不是一個(gè)很好的選擇了。一是因為這些功能對芯片處理功能的要求可能各不相同, 二是因為一個(gè)負擔著(zhù)如此眾多任務(wù)的芯片勢必需要很高的速度, 降低功耗變得很困難。

在這種情況下, 多CPU 系統(MPCore)成為一個(gè)必然的趨勢。多CPU 系統的一個(gè)明顯的優(yōu)勢是: 針對不同的任務(wù)處理需要, 不同的CPU 可以各盡其職, 將自身的優(yōu)勢充分發(fā)揮, 由此帶給手機最優(yōu)化的性能表現。另一個(gè)優(yōu)勢顯然還是體現在對功耗的控制上: 假如用單CPU 來(lái)完成所有的功能, 不可避免地需要一個(gè)很高的CPU 速度, 從而造成很高的功耗。用一顆高速CPU 來(lái)完成這樣的任務(wù), 無(wú)疑是大牛拉小車(chē), 同時(shí)浪費很多能源。多CPU 系統可以根據不同的任務(wù)需要合理地啟動(dòng)、停止相應的CPU 來(lái)完成任務(wù),不需要的時(shí)候處于停歇狀態(tài), 實(shí)現最大限度地控制功耗。

既然我們選擇了多CPU 的架構, 那么接下來(lái)CPU 的性能就是我們要考慮的第二大問(wèn)題。一般的情況下, 我們是在CPU 的性能( Performance) 和功耗(Power Consumption) 方面進(jìn)行比較和選擇。通?？梢圆捎妹繄绦?M次指令所消耗的能量來(lái)進(jìn)行衡量, 即Watt/MIPS。

我們把CPU 的功率消耗分為兩大部分: 內核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O, 總的功率等于兩者之和, 即PPCORE+PI/O。對于PCORE, 關(guān)鍵在于其供電電壓和時(shí)鐘頻率的高低; 對于PI/O 來(lái)講, 除了留意各個(gè)專(zhuān)門(mén)I/O 控制器的功耗外, 還必須關(guān)注地址和數據總線(xiàn)寬度。

在數字集成電路設計中, CMOS 電路的靜態(tài)功耗很低, 與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本可以忽略不計。CMOS 電路動(dòng)態(tài)功耗的計算公式如下:

Pd=CT*V2*f, 其中Pd 是CMOS 芯片的動(dòng)態(tài)功耗, C是CMOS芯片的負載電容, V 是CMOS 芯片的工作電壓, f 是CMOS 芯片的工作頻率。

由上可見(jiàn), 當CPU 確定后, 我可以通過(guò)降低頻率和電壓來(lái)減少系統的功耗。

在CPU 的選擇方面, 我們推薦采用Intel 的Xscale 芯片, 以及IBM的PowerPC405G 芯片。

動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)

系統不可能始終處于滿(mǎn)負荷狀態(tài), 因為系統的工作量隨時(shí)都在改變。動(dòng)態(tài)電源管理(DPM) 通過(guò)選擇性的將空閑的系統組件置于低能耗狀態(tài)實(shí)現了系統整體能耗的最優(yōu)化。

我們更為關(guān)注的是DPM在Linux 框架結構下的實(shí)現。圖1 展示了電源管理和嵌入式Linux 堆棧之間的關(guān)系。

電源管理和嵌入式Linux 堆棧之間的關(guān)系

以下是一些于電源管理相關(guān)的接口以及API:

內核接口。在針對Linux 的DPM 架構中, 內核中的DPM 子系統負責維持系統的電源狀態(tài), 并把DPM 系統的各個(gè)電源得到管理的元件聯(lián)系在一起。DPM 子系統通過(guò)多個(gè)API 直接與設備驅動(dòng)程序通信, 這些API 把驅動(dòng)程序從完全運行狀態(tài)轉為各種電源得到管理的狀態(tài)。策略管理器( 或應用軟件自身) 通過(guò)多個(gè)API向DPM 子系統提供指導, 這些API 定義各種策略, 并在定義好的運行點(diǎn)之間轉移整個(gè)系統。

驅動(dòng)程序接口。啟用了DPM 的設備驅動(dòng)程序比默認驅動(dòng)程序具有更多“狀態(tài)”: 由外部事件通過(guò)各種狀態(tài)來(lái)驅動(dòng)它們, 或通過(guò)來(lái)自?xún)群薉PM 子系統的回調來(lái)驅動(dòng)它們, 從而反映并遵循運行策略。驅動(dòng)程序API 還允許驅動(dòng)程序登記它們連接和管理的各個(gè)設備的基本運行特征, 從而實(shí)現更精細的策略決策。

用戶(hù)程序API, 用戶(hù)程序( 應用軟件) 分為三類(lèi):

(1)可感知電源管理的應用軟件;

(2)可感知電源管理的“包裝器”中的傳統應用軟件;

(3)不帶電源管理的傳統應用軟件。

可感知電源管理的應用軟件能夠充分利用來(lái)自策略管理器的API, 從而建立各自的基礎約束, 并強制電源管理策略發(fā)生變化, 以便匹配各自的執行要求。不直接帶有電源管理功能的傳統應用軟件可以“包裝”到代碼或補丁中, 從而實(shí)現相當的效果, 它們還可以按照默認行為來(lái)運行, 這取決于更寬范圍的默認策略管理。

嵌入式Linux DPM 下的實(shí)際機制包括各種API, 比如dpm_set_os ()( 內核) 、assert_constraint ()、remove_constraint () 和set_operating_state () ( 內核和驅動(dòng)程序) 、set_policy () 和set_task_state()( 經(jīng)由系統調用的用戶(hù)級接口) , 以及/proc 接口。

電源管理策略在系統電源管理中扮演了極為關(guān)鍵的角色。DPM的策略抽象模型的執行體系類(lèi)似于狀態(tài)機。在DPM中有2個(gè)概念很重要: 一個(gè)是執行點(diǎn)(operating points), 另一個(gè)是執行狀態(tài)( operating states) 。DPM的執行點(diǎn)來(lái)自一些獨立的系統參數, 包括執行電壓, 頻率, 以及總線(xiàn)帶寬等等。隨著(zhù)事件的改變, 系統的狀態(tài)也不斷的改變( 如圖2 所示) 。在DPM中, 每個(gè)系統狀態(tài)都是一個(gè)執行狀態(tài), 包括空閑態(tài)、活動(dòng)態(tài)和睡眠態(tài)。

系統的狀態(tài)不斷的改變

自適應電壓調整(AVS)

在CPU 的選擇部分, 我們知道了系統能耗是與電壓和頻率緊密相關(guān)的?，F在我們來(lái)探討一下調整電壓在降低能耗方面的作用。在電壓調整方面, 自適應電壓調整是一種很有效的方法。自適應電壓調整AVS(Adaptive Voltage Scaling)是通過(guò)反饋機制將電源電壓調整到給定工作負載(處理量)所需的最小值。這種閉環(huán)方式可進(jìn)一步減小功耗, 但需要將部分電源管理電路置入主處理器。