嵌入式Linux系統的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

    通過(guò)用戶(hù)層制定策略與內核提供管理功能交互，實(shí)時(shí)調整電源參數而同時(shí)滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)應用的需求，允許電源管理參數在短時(shí)間的空閑或任務(wù)運行在低電源需求時(shí)，可以被頻繁地、低延遲地調整，從而實(shí)現更精細、更智能的電源管理。

　　1 動(dòng)態(tài)電源管理原理

　　CMOS電路的總功耗是活動(dòng)功耗與靜態(tài)功耗之和。當電路工作或邏輯狀態(tài)轉換時(shí)會(huì )產(chǎn)生活動(dòng)功耗，未發(fā)生轉換時(shí)晶體管漏電流會(huì )造成靜態(tài)功耗：

    式中C為電容，fc為開(kāi)關(guān)頻率，Vdd為電源電壓，IQ為漏電流。C·Vdd·fc為活動(dòng)功耗；VddIQ為靜態(tài)功耗。在操作系統級的電源管理設計實(shí)現中，重點(diǎn)是活動(dòng)功耗。從中可以得出幾種管理活動(dòng)功耗的方法：

　?、匐妷海瘯r(shí)鐘調節。通過(guò)降低電壓和時(shí)鐘來(lái)減少活動(dòng)功耗和靜態(tài)功耗。

　?、跁r(shí)鐘選通。停止電路時(shí)鐘，即設fc為O，讓Pactive為0。將時(shí)鐘從不用的電路模塊斷開(kāi)，減少活動(dòng)功耗。許多CPU都有“閑置”或“停止”指令，一些處理器還可通過(guò)門(mén)控關(guān)閉非CPU時(shí)鐘模塊，如高速緩存、DMA外設等。

　?、垭娫垂x通。斷開(kāi)電路中不使用的模塊電源供應。這種方法需要考慮重新恢復該模塊的代價(jià)。

　　斷開(kāi)不使用的模塊的時(shí)鐘和電源供應可以減少電源消耗，但要能夠正確預測硬件模塊的空閑時(shí)期。因為重新使能硬件模塊時(shí)鐘和電源會(huì )造成一定延遲，不正確的預測將導致性能下降。

　　從式(1)可以看出：降低電壓對功耗的貢獻是2次方的；降低時(shí)鐘也可降低功耗，但它同時(shí)也降低性能，延長(cháng)同一任務(wù)的執行時(shí)間。設2．0 V高壓下的能量消耗為E高=P高·T，則1．0 V低壓下能量消耗為E低=P低·2T(實(shí)踐中頻率近似線(xiàn)性依賴(lài)電壓)，再根據式(1)容易得到P高=8P低。綜合上式可以得出：E高=4E低，所以，選擇滿(mǎn)足性能所需的最低時(shí)鐘頻率，在時(shí)鐘頻率和各種系統部件運行電壓要求范圍內，設定最低的電源電壓，將會(huì )大量減少系統功耗。上例中完成任務(wù)所需的能量可以節約75％。

　　2 硬件平臺對動(dòng)態(tài)電源管理的支持

　　通過(guò)調節電壓、頻率來(lái)減少系統活動(dòng)功耗需要硬件支持。SoC系統一般有多個(gè)執行單元，如PM(電源管理)模塊、OSC(片上晶振)模塊、PLL(鎖相環(huán))模塊、CPU核以及CPU核中的數據緩存和指令緩存，其他模塊統稱(chēng)為外圍模塊(例如1，CD控制器、UART、 SDRAM控制器等)。CPU高頻時(shí)鐘主要由PLL提供，同時(shí)PLL也為外圍模塊和SoC總線(xiàn)提供其他頻率時(shí)鐘。一般SoC系統都有一些分頻器和乘法器可以控制這些時(shí)鐘。PM模塊主要是管理系統的電源供應狀態(tài)。一般有自己的低頻、高準確度晶，振，用以維持一個(gè)RTC時(shí)鐘、RTC定時(shí)器和中斷控制單元。其中中斷控制單元使RTC定時(shí)器和外部設備能夠喚醒掛起的SoC系統。下面以一個(gè)廣泛用于手持設備的TI0MAPl610處理器為例。

　?、贂r(shí)鐘模塊。OMAPl610提供一個(gè)數字相控鎖環(huán)(DPLL)，將外頻或晶振輸入轉化為高頻，供給OMAP 3．2核以及其他片上設備。操作DPLL控制寄存器DPLLl_CTL_REG就可以設置DPLL輸出時(shí)鐘，輔以設置時(shí)鐘復用寄存器(MUX)和時(shí)鐘控制寄存器ARM_CKCTL，就能控制MPU和DSP的運行頻率，MPU、DSP外設時(shí)鐘，以及LCD刷新時(shí)鐘，TC_CK時(shí)鐘(Trafflc Control Clock)等。

　?、陔娫垂芾砟K。OMAPl610集成一個(gè)超低功耗控制模塊(ULPD)，用以控制OMAP3．2時(shí)鐘和控制OMAPl610進(jìn)出多種電源管理模式。操作ULPD控制寄存器ULPD_POWER_CTRL，可以設置處理器電壓、管理運行模式。

　　3 嵌入式Linux動(dòng)態(tài)電源管理軟件實(shí)現

　　嵌入式Linux已被廣泛應用在電源功耗敏感的嵌入式設備上，特別是移動(dòng)手持設備；因此，設計高效、精細的電源管理技術(shù)是嵌入式Linux開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　3.1動(dòng)態(tài)電源管理實(shí)現原理

　　系統運行在常見(jiàn)的幾種不同狀態(tài)，有不同電源級別要求，其中蘊涵著(zhù)豐富的節能機會(huì )。狀態(tài)轉化如圖1所示。

    ①系統運行在任務(wù)、任務(wù)一、任務(wù)+中的任務(wù)狀態(tài)之一，可以響應中斷進(jìn)入中斷處理，可以進(jìn)入空閑或睡眠狀態(tài)。不同的任務(wù)要求不同的電源級別，例如播放MP3 可以降低處理器的頻率，而運行在線(xiàn)互動(dòng)游戲時(shí)則要求處理器全速運行，所以DPM需要在不同任務(wù)中提供電源管理服務(wù)。

　?、谙到y進(jìn)入空閑，這時(shí)可以被中斷喚醒，處理中斷：DPM提供受管理的空閑模式，可以更智能地節省電源。

　?、巯到y在中斷處理完可以進(jìn)入空閑狀態(tài)，或者從中斷中回到任務(wù)態(tài)。

　?、芟到y在任務(wù)狀態(tài)下可進(jìn)入睡眠模式。系統可掛起到RAM或者其他存儲器中，關(guān)閉外設，實(shí)現最大限度地省電。通過(guò)特定事件(例如定義UART中斷)要求系統退出睡眠模式。

　　綜上所述，可以把動(dòng)態(tài)電源管理分為平臺掛起／恢復、設備電源管理以及平臺動(dòng)態(tài)管理等三類(lèi)。平臺掛起／恢復目標在于管理較大的、非常見(jiàn)的重大電源狀態(tài)改變，用于減少產(chǎn)品設備在長(cháng)時(shí)間的空閑之后，減少電源消耗。設備電源管理用于關(guān)斷／恢復平臺中的設備(平臺掛起／恢復以及動(dòng)態(tài)管理中均要用到)；而平臺動(dòng)態(tài)管理目標在于頻繁發(fā)生、更高粒度的電源狀態(tài)改變范圍之內的管理。系統運行的任務(wù)可以細分為普通任務(wù)和功率受監控的任務(wù)。

    前者電源狀態(tài)是DPM_NO_STATE，不作電源管理；后者對功率敏感，在被調度時(shí)(參見(jiàn)圖1)可以通過(guò)DPM來(lái)設置其電源管理狀態(tài)，要求運行在不同的電源級別。本文重點(diǎn)描述平臺動(dòng)態(tài)電源管理和設備電源管理兩類(lèi)，并將設備電源管理視為動(dòng)態(tài)電源管理的組成部分。

　　3.2平臺動(dòng)態(tài)電源管理設計

　　在Linux架構下實(shí)現電源管理內核模塊需要實(shí)現一個(gè)應用層和操作系統的接口，一個(gè)為多個(gè)硬件平臺提供通用電源管理邏輯控制框架的硬件無(wú)關(guān)層，以及一個(gè)管理特定硬件電源控制接口的平臺相關(guān)電源控制層。

　　3.2.1 內核模塊控制模型

　　模型主要由操作點(diǎn)、管理類(lèi)、管理策略等組成。

　?、儆秒娫垂芾聿僮鼽c(diǎn)對應平臺硬件相關(guān)參數。例如，TIOMAPl610參考開(kāi)發(fā)板有多個(gè)參數：CPU電壓、DPLL頻率控制(通過(guò)倍頻器和分頻器兩個(gè)參數)、CPU頻率控制、TC交通控制器、外部設備控制、DSP運行頻率、DSP的MMU單元頻率和LCD刷新頻率。如果使用TI的DSP代碼，則后四個(gè)參數為不可控，均使用默認值，如表1所列。

    其中，“192 MHz—1．5 V”操作點(diǎn)參數“1 500”表示OMAP3．2核心電壓為1 500 mV；“16”表示DPLL頻率控制12 MHz晶振輸入16倍頻；“1”表示分頻為1；“1”表示OMAP3．2核心分頻為1(所以它運行在192 MHz)“2”表示TC(交通控制器)分頻為2(所以它運行在96 MHz)．

　?、陬?lèi)：多個(gè)操作點(diǎn)組成一個(gè)管理類(lèi)。

　?、鄄呗裕憾鄠€(gè)或一個(gè)類(lèi)組成策略。

　　一般可以簡(jiǎn)化系統模型，直接將DPM策略映射到一個(gè)系統操作狀態(tài)下特定的DPM操作點(diǎn)，如表2所列。復雜點(diǎn)系統可以考慮將DPM策略映射到一個(gè)多操作點(diǎn)的DPM管理類(lèi)，再根據操作狀態(tài)切換時(shí)選擇管理類(lèi)中滿(mǎn)足約束的第一個(gè)操作點(diǎn)。

    表2中策略映射到四個(gè)操作點(diǎn)，分別對應“sleep”、 “idle”、“task-1”、“task”四種電源狀態(tài)。除非用戶(hù)加以改變，否則系統fork創(chuàng )建的任務(wù)默認運行在DPM-TASK-STATE狀態(tài)，對應表2中task狀態(tài)，其操作點(diǎn)為192 MHz-1．5 V。

　　通過(guò)這種結構，電源管理系統把系統創(chuàng )建的任務(wù)和具體的電源管理硬件單元參數連接起來(lái)，為任務(wù)間精細電源管理提供一個(gè)框架。

　　3.2.2內核功能實(shí)現

　　如圖2所示，DPM軟件實(shí)現可以分為應用層、內核層、硬件設備等幾個(gè)部分。其中內核層又可以分為接口層，硬件無(wú)關(guān)層和內核硬件相關(guān)層(圖2中虛線(xiàn)部分)，可以分為以下幾個(gè)方面來(lái)描述。

    第一，用戶(hù)層可以通過(guò)內核提供的sysfs文件系統和設備驅動(dòng)模型(LDM)接口來(lái)進(jìn)行電源管理。DPM實(shí)現還提供Proc
接口來(lái)實(shí)現電源管理的命令；也可以通過(guò)增加系統調用接口使用戶(hù)程序更容易調用DPM功能。

　　通過(guò)修改任務(wù)切換宏switch_tO，添加dpm_set_OS(task_dpm_ state)接口，然后電源管理引擎將當前任務(wù)電源狀態(tài)設置到硬件參數。

　　第二，內核硬件無(wú)關(guān)層提供電源管理邏輯控制框架。電源管理引擎主要實(shí)現API調用，選擇操作點(diǎn)，提供操作點(diǎn)設置的同步和異步邏輯等。

　　設備電源管理模塊還實(shí)現設備驅動(dòng)約束，通過(guò)LDM接口管理設備時(shí)鐘和電源，提供掛起和恢復控制。 設備時(shí)鐘電源關(guān)層主要對應系統的各種總線(xiàn)和設備時(shí)鐘電源參數管理。

　　3.2.3 設備電源管理和驅動(dòng)約束

　　DPM通過(guò)LDM可以對設備進(jìn)行電源管理。LDM中device_driver結構有設備掛起和恢復等回調函數，device結構有驅動(dòng)約束。需要在設備初始化時(shí)使用注冊函數向相應系統總線(xiàn)注冊該設備。例如，簡(jiǎn)化后12C的LDM相關(guān)參數為：

    I2C驅動(dòng)注冊到MPU公有TI外圍總線(xiàn)：driver_reg-ister(&omap_i2c_driver) platform_device_register(&omap_i2c_device)。在驅動(dòng)程序中實(shí)現掛起和恢復函數： omap_i2c_controller_suspen(&omap_i2c_device)，omap_i2c_con- troller_resume(&omap_i2c_deviee)。這樣，所有注冊到系統的設備在sysfs中都有一個(gè)管理接口。
　　通過(guò)這些接口可以操縱設備的電源狀態(tài)。在多種情況下，可利用該接口來(lái)掛斷設備，例如：應用程序顯式掛斷應用中不需要的設備；平臺掛起前需掛斷所有設備；當DPM將系統設置到設備不兼容狀態(tài)時(shí)需掛起該設備等等。其中DPM中管理設備電源狀態(tài)時(shí)還提供設備驅動(dòng)約束檢查(頻率相關(guān))。例如，當系統電源狀態(tài)改變，準備運行在新的操作點(diǎn)時(shí)，驅動(dòng)約束檢查該狀態(tài)是否滿(mǎn)足設備正常運行。如果不滿(mǎn)足，且當前操作點(diǎn)force屬性設置為1，設備首先被LDM回調函數關(guān)斷 (或將設備置于和此時(shí)PLL相應的掛起狀態(tài))；如果滿(mǎn)足條件，則利用設備驅動(dòng)中實(shí)現的調節函數轉到新?tīng)顟B(tài)。

　　驅動(dòng)約束還用于限制DPM操作方式。當沒(méi)有設備被使用時(shí)，約束才允許DPM將系統轉到低電源空閑狀態(tài)。

　　4 總 結

　　DPM技術(shù)通過(guò)內核模塊的方式實(shí)現任務(wù)級別電源管理、實(shí)現了有效的設備電源管理，滿(mǎn)足了嵌入式Linux的需求，補充了基于桌面系統APM和APCI電源管理技術(shù)的不足。實(shí)踐證明，DPM對嵌入式系統，尤其是移動(dòng)終端，能夠起到很好的節能效果。

　　當然，動(dòng)態(tài)電源管理系統還有待于進(jìn)一步完善。例如：①可以根據硬件和軟件收集系統負載狀態(tài)，使用Markov，鏈等手段準確預測電源狀態(tài)，從而設計出更智能、更有效的狀態(tài)切換管理策略；②電源管理和實(shí)時(shí)性能要求之間的復雜關(guān)系還需處理等等。