基于SEP0611的電源管理驅動(dòng)設計方案

系統休眠是嵌入式系統除關(guān)機外最省電的一種狀態(tài)。休眠（Suspend, STR （Suspend To RAM ））,又稱(chēng)為掛起或者掛起到內存，會(huì )將目前的運行狀態(tài)數據存放在內存，并關(guān)閉硬盤(pán)、外設等設備，進(jìn)入等待狀態(tài)，此時(shí)除了內存仍然需要電力維持其數據，整機其余部分耗電很少。

恢復時(shí)處理器從內存讀出數據，回到掛起前的狀態(tài)，恢復速度較快。一般在電池無(wú)故障且充滿(mǎn)電的情況下可以維持這種狀態(tài)數天之久。

1 SEP0611和電源管理單元硬件設計

SEP0611是東南大學(xué)自主研發(fā)的一款基于UniCore32內核的32位高性能、低功耗RISC微處理器，是定位于手持播放設備、衛星導航產(chǎn)品的高性能處理器。主要分為五個(gè)部分：系統與時(shí)鐘控制、外設接口、多媒體系統、GPS系統和存儲系統。系統與時(shí)鐘控制部分包含了電源管理單元（Power Management Unit, PMU）的設計。

PMU包括時(shí)鐘控制和功耗控制兩部分。功耗控制主要負責在各個(gè)工作模式下的切換，進(jìn)入低功耗模式后的喚醒，以及系統的復位控制。系統工作模式主要分為三種：正常工作模式、掛起模式、休眠模式。

2 Linux APM技術(shù)

圖1 Linux APM技術(shù)架構圖

圖1是APM技術(shù)在Linux中的架構圖。用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)態(tài)的APM接口或策略向BIOS申請休眠請求，BIOS設備接收到用戶(hù)層的休眠請求后會(huì )調用內核低功耗層的接口函數，從而實(shí)現系統進(jìn)入休眠的一系列操作；在接收到喚醒信號后內核低功耗層會(huì )執行喚醒操作，與此同時(shí)低功耗層也會(huì )調用外設驅動(dòng)的電源管理接口讓設備跟隨系統實(shí)現喚醒。SEP0611無(wú)BIOS,系統喚醒后會(huì )回到bootloader執行。

3 系統休眠的內核層分析與驅動(dòng)設計

Linux系統休眠內核層是整個(gè)休眠部分的核心。它將接受上層休眠命令，并通過(guò)驅動(dòng)層使外圍設備進(jìn)入相應的suspend狀態(tài)等，在得到喚醒信號后將恢復狀態(tài)繼續運行。它包括了體系結構無(wú)關(guān)的部分：當前進(jìn)程的凍結/釋放，管理外圍驅動(dòng)；也包括了體系結構相關(guān)的部分：讓處理器進(jìn)入/退出休眠，DDR進(jìn)入自刷新指令序列，系統狀態(tài)保存/恢復等。本小節由休眠準備，休眠進(jìn)入和休眠退出，完成喚醒三部分組成。

3.1 休眠準備

在本文中，將suspend_prepare函數、suspend_devices_and_enter函數中的大部分內容劃分為休眠準備部分。

suspend_prepare函數的主要作用如下：

（1）用一個(gè)全局變量保存好控制臺。

（2）執行pm_noTIfier_call_chain函數，該函數調用notifier_call_chain函數來(lái)通知事件（將休眠）的到達。

（3）凍結進(jìn)程，這通過(guò)freeze_processses函數實(shí)現。

在suspend_devices_and_enter函數中執行剩余的休眠準備工作：

（1）調用suspend_ops->begin.

（2）調用suspend_cONsole函數獲取控制臺信號量以休眠控制臺。

（3）調用dpm_suspend_start函數，該函數分為兩步。

首先調用device_prepare,該設備準備函數通常無(wú)操作；然后調用device_suspend函數，使設備驅動(dòng)進(jìn)入休眠模式。

在該函數中，系統會(huì )遍歷dpm_active鏈表，為該鏈表上的每個(gè)驅動(dòng)調用suspend函數（該函數負責掛起設備驅動(dòng)），正常返回后會(huì )將其移至dpm_off鏈表隊列。至此，已完成休眠準備部分的工作。下面以音頻驅動(dòng)為例展示設備驅動(dòng)suspend函數的填寫(xiě)（函數頭略）：

int i;

volatile unsigned long *p_regs = i2s_info.base;

i2s_regs = kmalloc（（I2S_PM_REGS_NUM 《 2），

GFP_KERNEL）；

if（i2s_regs == NULL）

return -ENOMEM;

for（i=0; i

i2s_regs[i] = *p_regs++;

clk_disable（i2s_info.clk）；

return 0;

這段代碼主要實(shí)現：保存音頻設備硬件寄存器；禁止音頻設備時(shí)鐘。

3.2 休眠進(jìn)入和休眠退出

完成了進(jìn)入休眠的準備工作，接下來(lái)就是進(jìn)入休眠。

suspend_enter是休眠進(jìn)入函數，該函數將調用suspend_ops->enter（state），調用該函數即是調用SEP0611驅動(dòng)接口函數sep_pm_enter;該接口函數在sep_pm.c中實(shí)現。該文件將保存在CPU寄存器，將休眠代碼搬運到sram中，然后系統在sram中執行休眠代碼，先讓DDR進(jìn)入自刷新?tīng)顟B(tài)，而后處理器進(jìn)入sleep模式。當系統處于休眠模式時(shí)，一旦接收到喚醒事件的中斷，如內部的RTC ALARM中斷或者外部的Wakeup按鍵信號才能夠讓系統退出休眠，即喚醒系統。綜上，進(jìn)入/退出休眠的代碼流程圖如圖2所示。

圖2 進(jìn)入/退出sleep模式的代碼流圖

在圖2中的休眠進(jìn)入部分，保存CPU各模式狀態(tài)之后，跳轉到sram執行DDR2的自刷新和休眠的進(jìn)入，而這段代碼（DDR2的自刷新和休眠的進(jìn)入）此前已由copy_func_to_sram函數搬運至sram中；而跳轉通過(guò)將sram的物理地址靜態(tài)映射到linux內核（在對應架構的mm.c中）實(shí)現。

此后，系統處于休眠（sleep）模式，直至喚醒信號的到來(lái)。

SEP0611中可用的喚醒信號有：電源鍵、RTC的ALARM中斷、外部GPIO（AO）口。一旦喚醒信號到來(lái)，即是該執行休眠退出部分了。PMU硬件部分將讓系統重新上電，而軟件則回到bootloader部分執行，在bootloader中有一段分支代碼，該部分代碼判斷是一次正常啟動(dòng)還是一次從休眠的喚醒，若是后者，則恢復CPU各模式狀態(tài)，此后回到linux操作系統。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)入休眠部分的保存CPU各模式狀態(tài)之前，PC值（用于返回的地址，實(shí)際保存的是PC值加上0x10（合4條指令））已經(jīng)被保存到一個(gè)硬件寄存器中；因此，在退出休眠部分的恢復CPU各模式狀態(tài)之后，將PC值從硬件寄存器取出，通過(guò)其使程序回到linux操作系統執行。

3.3 完成喚醒

上面講到了程序回到linux系統執行后，休眠內核層將通過(guò)suspend_devices_and_enter函數中位于調用suspend_enter之后的部分和suspend_finish函數完成與休眠準備相逆的操作。

首先在suspend_devices_and_enter函數中執行以下完成喚醒的工作：

（1）調用dpm_suspend_end函數，該函數分為兩步。

首先調用設備喚醒函數device_resume,該函數會(huì )遍歷dpm_off 鏈表隊列，依次調用該隊列上設備驅動(dòng)的resume函數，讓驅動(dòng)恢復正常工作模式，并將其從dpm_off 隊列恢復至dpm_active 隊列。然后調用device_complete函數，該函數通常無(wú)操作。下面仍以音頻驅動(dòng)為例展示設備驅動(dòng)resume函數的填寫(xiě)（函數頭略）：

int i;

volatile unsigned long *p_regs = i2s_info.base;

clk_enable（i2s_info.clk）；

init_i2s_gpio（）；

for（i=0; i

*p_regs++ = i2s_regs[i];

kfree（i2s_regs）；

i2s_regs = NULL;

return 0;

這段代碼主要實(shí)現：

（1）使能音頻設備時(shí)鐘；初始化音頻相關(guān)的GPIO口；恢復音頻設備硬件寄存器。

（2）調用resume_console函數釋放控制臺信號量以喚醒控制臺。

（3）調用suspend_ops->end.

其次suspend_finish函數完成與suspend_prepare函數相逆的操作：

（1）喚醒進(jìn)程，通過(guò)thaw_processses函數實(shí)現。

（2）執行pm_notifier_call_chain函數，該函數調用notifier_call_chain函數來(lái)通知事件（完成喚醒）的到達。

（3）從全局變量恢復控制臺。

至此，系統完成喚醒，且系統中所有的設備驅動(dòng)能正常工作。

4 驅動(dòng)驗證

4.1 驗證環(huán)境和方法

驅動(dòng)驗證在江蘇東大集成電路有限公司生產(chǎn)的功耗測試板上進(jìn)行，該測試板編號為：SEUIC東集PCB602_DEMO0611,生產(chǎn)日期為2011.05.13.測試時(shí)：CPU運行在800MHz,AHB總線(xiàn)運行在180MHz,DDR運行在400MHz;測試板采用4路LDO供電，4路分別為core、arm、ddr_phy、cpu_io.測試方法為：1）用萬(wàn)用表的毫安檔測試電流，每測一路，要將該路的0Ω電阻吹掉，將萬(wàn)用表串入電路，同時(shí)保證其他路的0Ω電阻連接。2）通過(guò)操作linux操作系統中sysfs文件系統提供的接口讓測試板進(jìn)入休眠，即是在終端輸入命令：echo mem > sys/power/state.3）通過(guò)電源鍵（或RTC定時(shí)中斷）喚醒系統，喚醒后驗證設備驅動(dòng)功能。

4.2 驗證結果

測試的0Ω電阻上的電流值如表1所示。b-s（mA）列代表系統休眠之前某電阻上的電流值；i-s（mA）列代表系統休眠之時(shí)某電阻上的電流值；a-s（mA）列代表系統完成喚醒時(shí)某電阻上的電流值；最后一列除了包含了