嵌入式Linux系統的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

　　引 言

　　如何有效地管理嵌入式系統，尤其是移動(dòng)終端的電源功耗，是一個(gè)很有價(jià)值的課題。動(dòng)態(tài)電源管理DPM(Dynamic Power， Management)技術(shù)提供一種操作系統級別的電源管理能力，包含CPU工作頻率和電壓，外部總線(xiàn)時(shí)鐘頻率，外部設備時(shí)鐘／電源等方面的動(dòng)態(tài)調節、管理功能。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。

　?、傧到y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