嵌入式Linux的低功耗策略研究

摘  要：功耗是嵌入式設(shè)備的一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。在硬件設(shè)計(jì)和選型之后，功耗水平在極大程度上取決于軟件的設(shè)計(jì)。鑒于Lioux在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛，提出在嵌入式Linux下軟件編寫的幾種策略。通過這些軟件編寫方式，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(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)需要的很多特色，如適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺(tái)、性能穩(wěn)定、可裁剪性很好、源碼開放、開發(fā)和使用簡單等。目前，基于Linux應(yīng)用的嵌入式設(shè)備日益增多，Linux正在嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

    對(duì)于嵌入式設(shè)備尤其是移動(dòng)設(shè)備來說，功耗是系統(tǒng)的重要指標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一就是要盡可能地降低功耗。目前，對(duì)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(shè)計(jì)和選型確定后，功耗的高低與軟件設(shè)計(jì)有很大的關(guān)聯(lián)性。軟件設(shè)計(jì)和編程質(zhì)量的好壞，極大地影響著最終產(chǎn)品的功耗水平。據(jù)此，為降低功耗，提出在嵌入式Linux下軟件編程的幾種策略。

1 問題分析
    因?yàn)樽罱K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(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上怎樣組織硬件運(yùn)作而使功耗降低。全速執(zhí)行、待機(jī)和睡眠等行為都是利用CPU的固有能力，透過降低工作電壓或頻率來節(jié)省功耗。此外，在大多數(shù)用戶察覺不到的情況下，實(shí)際的電源管理能夠根據(jù)負(fù)載狀況逐漸改變系統(tǒng)的狀態(tài)，有時(shí)這種情況在l s之內(nèi)可以產(chǎn)生數(shù)百次。

    另外，在編寫程序時(shí)可能會(huì)遇到這樣的情況，如記錄狀態(tài)寄存器內(nèi)容，并等待設(shè)定標(biāo)記出現(xiàn)；檢查串口的FIFO狀態(tài)標(biāo)記，看是否收到數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)一個(gè)雙端口存儲(chǔ)器，以確定系統(tǒng)中是否有另外CPU寫入了一個(gè)變量，以便控制共享資源。從表面上看，這樣的代碼沒有什么問題，但在每個(gè)時(shí)鐘周期里不斷記錄寄存器狀態(tài)將無法有效延長設(shè)備的電池壽命。

    基于這些問題，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(nèi)核的電源管理
    電源管理策略的基礎(chǔ)是調(diào)整處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率。不過，現(xiàn)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(nèi)存、顯示屏和射頻接口等，因此，如果電源管理系統(tǒng)只能調(diào)節(jié)CPU內(nèi)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(yīng)該可以采用與CPU內(nèi)核執(zhí)行相協(xié)調(diào)或相獨(dú)立的方式，支持對(duì)一系列電壓和頻率的快速調(diào)節(jié)。

    Linux支持兩種電源管理標(biāo)準(zhǔn)：APM(AdvancedPower Managememt)和ACPI(Advanced Configtlrationand P0wer Interface)。APM是傳統(tǒng)的高級(jí)電源管理方案，目前仍然使用在許多基于Linus便攜式設(shè)備中；而ACPI則提供了更為靈活的電腦和設(shè)備管理接口。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不能同時(shí)運(yùn)行。缺省情況下，Linux運(yùn)行ACPI。APM可以使機(jī)器處于Suspend(懸掛)或Standby(待機(jī))狀態(tài)，以及檢查電池容量；而ACPI還可以使外設(shè)(如顯示器、PCI)單獨(dú)斷電，在節(jié)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(nèi)核打開它，并且在Linux里加載必需的應(yīng)用軟件。

    電源管理活動(dòng)需要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行特殊的干預(yù)。在嵌入式Linux中，雖然低層電源管理駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，但電源管理策略和機(jī)制來源于中介軟件和用戶應(yīng)用程序代碼，如圖l所示。

     Linux內(nèi)核中電源管理機(jī)制負(fù)責(zé)維持整個(gè)系統(tǒng)的電源狀態(tài)。它可以看成是為驅(qū)動(dòng)程序、中介軟件和應(yīng)用程序提供服務(wù)的元素。

    通過在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)電源管理接口，可以讓驅(qū)動(dòng)程序密切監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。它們?cè)谕獠渴录尿?qū)動(dòng)下，透過設(shè)定不同的狀態(tài)反映設(shè)備的工作情況。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備電源管理接口，需要實(shí)現(xiàn)以下操作：
    ①使用pm_register對(duì)設(shè)備的每個(gè)實(shí)例(instance)進(jìn)行注冊(cè)；
    ②在對(duì)硬件進(jìn)行操作之前調(diào)用pm_access(這樣可保證設(shè)備已被喚醒，并處于ready狀態(tài))；
    ③用戶自己的pnl_callback函數(shù)在系統(tǒng)進(jìn)入suspend狀態(tài)，或者從suspend狀態(tài)恢復(fù)的時(shí)候會(huì)被調(diào)用；
    ④當(dāng)設(shè)備不使用時(shí)調(diào)用pm_dev_idle函數(shù)(這個(gè)操作是可選的，以增強(qiáng)設(shè)備idle狀態(tài)的監(jiān)測(cè)能力)；
    ⑤當(dāng)被unIoad的時(shí)候，使用pm_unreggister取消設(shè)備的注冊(cè)。

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

    在應(yīng)用程序中，利用中介程序提供的API，設(shè)立其基本的約束條件，強(qiáng)迫電源管理機(jī)制產(chǎn)生與其執(zhí)行需求相匹配的變化。Linix電源管理的實(shí)現(xiàn)機(jī)制包括以下API，例如dpm_set_os()(內(nèi)核)、assert_constraint()、remove_constraint()和set_operatInK—state()(內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序)、set_policy()和set_task_state()(經(jīng)系統(tǒng)的用戶級(jí)調(diào)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(nèi)核指令執(zhí)行部分關(guān)閉，而所有外設(shè)和中斷信號(hào)仍處于工作狀態(tài)。由于空閑模式比CPU執(zhí)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(xù)執(zhí)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(tǒng)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(nèi)能檢測(cè)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。即使所有其他線程被阻塞，在其他中斷、內(nèi)部事件及長時(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(yùn)行調(diào)度程序。就算調(diào)度程序確定所有線路都被阻塞，并很快將CPU回復(fù)到空閑模式，這樣頻繁操作也會(huì)浪費(fèi)大量電源。因此，應(yīng)盡可能長時(shí)間地將CPU置于空閑模式，而減少事件是解決這個(gè)問題的有效途徑。通過分析代碼和系統(tǒng)要求，以決定是否能改變處理中斷的方式實(shí)現(xiàn)。例如，可以在進(jìn)入空閑模式前關(guān)閉時(shí)隙中斷信號(hào)，只有再次出現(xiàn)中斷信號(hào)時(shí)才被喚醒。不過，這種做法通常不太合適。盡管多數(shù)阻塞的線程可以直接或間接等待外部中斷，有些還依賴于定時(shí)中斷，如一個(gè)驅(qū)動(dòng)器會(huì)在等待外設(shè)時(shí)睡眠500 ms，這時(shí)空閑模式下如果完全關(guān)閉系統(tǒng)定時(shí)器，可能意味著線路不能按時(shí)恢復(fù)工作。

    Linux最好能為調(diào)度程序進(jìn)行可變超時(shí)設(shè)定。Lintux知道每個(gè)線程無法確定等待的是外部還是內(nèi)部事件，或者計(jì)劃在某特定時(shí)間再次運(yùn)行。Linux可算出第一個(gè)線程預(yù)定何時(shí)運(yùn)行，并相應(yīng)地在CPU置于空閑模式之前設(shè)定定時(shí)器工作。可變超時(shí)設(shè)定不會(huì)對(duì)調(diào)度程序造成很大的負(fù)擔(dān)，但卻能節(jié)省電源和處理時(shí)間。

    可變計(jì)劃超時(shí)限定只是減少事件的一種方法，存儲(chǔ)器直接存取(DMA)也可讓CPU長時(shí)間處于空閑模式，即使數(shù)據(jù)正在發(fā)送至外設(shè)或從外設(shè)收取。所以只要可能，都應(yīng)在外圍驅(qū)動(dòng)器中使用DMA，省電效果相當(dāng)令人滿意。

    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(jié)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(shù)據(jù)會(huì)引起CPU內(nèi)核每秒中斷l(xiāng) 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(jié)設(shè)備中處理數(shù)據(jù)，浪費(fèi)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(yīng)用DMA能減少使用率達(dá)20％，可降低CPU功耗，并提高供其他線程使用的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(qū)動(dòng)CPU的時(shí)鐘頻率以及應(yīng)用其內(nèi)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(xiàn)節(jié)能，還需要一些技巧．因?yàn)閳?zhí)行的代碼可能要兩倍長的時(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(chǔ)存在片外SDRAM中的幀緩存。當(dāng)LCD控制器工作時(shí)，需要指定足夠高的內(nèi)存總線頻率來滿足顯示器刷新速率的需要。在LCD不工作的情況下(例如當(dāng)PDA僅作為MP3播放器使用時(shí))，降低SDRAM總線頻率，可以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

    動(dòng)態(tài)降低電壓是另一種做法。越來越多的CPU允許降低電壓，以適應(yīng)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(yīng)用CPU帶寬的線程，會(huì)隨著CPU時(shí)鐘速度下降而花更長的時(shí)間才能完成，這些線程使用分配給它們的每一個(gè)周期。另一方面，I／O線程采用分配給它的所有CPU周期，即便CPU時(shí)鐘速率下降，也要用同樣長的時(shí)間才能完成。例如，像很多PDA使用的PCMCIA卡接口，當(dāng)數(shù)據(jù)寫人快閃存儲(chǔ)卡時(shí)，系統(tǒng)瓶頸不是CPU的速度，而是物理總線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(yīng)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(yuǎn)小于操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，這樣會(huì)影響到性能。這些驅(qū)動(dòng)程序常常檢測(cè)狀態(tài)寄存器，此時(shí)降低時(shí)鐘速度將節(jié)省一部分電源，但會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)寫入卡的時(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)顯著影響性能；考慮什么時(shí)候降低驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)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(jié) 論
    近年來隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)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(qiáng)大設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)之一，可運(yùn)行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多種硬件平臺(tái)上，而且開放源代碼，并可以定制，越來越多的企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)都轉(zhuǎn)向嵌入式Linux的開發(fā)和研究上。本文在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，研究了在嵌入式Linux系統(tǒng)中通過優(yōu)化軟件編寫機(jī)制來降低最終產(chǎn)品功耗水平的方法，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。隨著研究的深入，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(shè)備普及Linux應(yīng)用。