基于SEP0611的電源管理驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：休眠模式是減少嵌入式系統(tǒng)功率消耗的一種運(yùn)行模式。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)，不執(zhí)行任何功能，在一定時(shí)期內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)請(qǐng)求產(chǎn)生，因此它可以最大限度地減少其不必要的功耗。在文章中，硬件平臺(tái)采用東南大學(xué)自主研發(fā)的SEP0611嵌入式微處理器，軟件平臺(tái)采用Linux2．6．32內(nèi)核，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電源管理驅(qū)動(dòng)。在SEP0611電源管理驅(qū)動(dòng)中，使系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式的代碼負(fù)責(zé)保存芯片狀態(tài)、自刷新DDR；使系統(tǒng)退出休眠模式的代碼負(fù)責(zé)使得DDR退出自刷新?tīng)顟B(tài)、恢復(fù)芯片狀態(tài)，以使系統(tǒng)返回正常模式。通過(guò)在測(cè)試板上讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠并喚醒系統(tǒng)、同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)休眠前后各路電路的電流值，從而驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：休眠；高級(jí)電源管理：嵌入式Linux；SEP0611處理器

0 引言
    系統(tǒng)休眠是嵌入式系統(tǒng)除關(guān)機(jī)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(nèi)存，會(huì)將目前的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存，并關(guān)閉硬盤(pán)、外設(shè)等設(shè)備，進(jìn)入等待狀態(tài)，此時(shí)除了內(nèi)存仍然需要電力維持其數(shù)據(jù)，整機(jī)其余部分耗電很少。恢復(fù)時(shí)處理器從內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)，回到掛起前的狀態(tài)，恢復(fù)速度較快。一般在電池?zé)o故障且充滿(mǎn)電的情況下可以維持這種狀態(tài)數(shù)天之久。

1 SEP0611和電源管理單元硬件設(shè)計(jì)
    SEP0611是東南大學(xué)自主研發(fā)的一款基于UniCore32內(nèi)核的32位高性能、低功耗RISC微處理器，是定位于手持播放設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的高性能處理器。主要分為五個(gè)部分：系統(tǒng)與時(shí)鐘控制、外設(shè)接口、多媒體系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)與時(shí)鐘控制部分包含了電源管理單元(Power Management Unit，PMU)的設(shè)計(jì)。
    PMU包括時(shí)鐘控制和功耗控制兩部分。功耗控制主要負(fù)責(zé)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(tǒng)的復(fù)位控制。系統(tǒng)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是APM技術(shù)在Linux中的架構(gòu)圖。用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)態(tài)的APM接口或策略向BIOS申請(qǐng)休眠請(qǐng)求，BIOS設(shè)備接收到用戶(hù)層的休眠請(qǐng)求后會(huì)調(diào)用內(nèi)核低功耗層的接口函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)入休眠的一系列操作；在接收到喚醒信號(hào)后內(nèi)核低功耗層會(huì)執(zhí)行喚醒操作，與此同時(shí)低功耗層也會(huì)調(diào)用外設(shè)驅(qū)動(dòng)的電源管理接口讓設(shè)備跟隨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)喚醒。SEP0611無(wú)BIOS，系統(tǒng)喚醒后會(huì)回到bootloader執(zhí)行。

3 系統(tǒng)休眠的內(nèi)核層分析與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    Linux系統(tǒng)休眠內(nèi)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(qū)動(dòng)層使外圍設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)的suspend狀態(tài)等，在得到喚醒信號(hào)后將恢復(fù)狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。它包括了體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的部分：當(dāng)前進(jìn)程的凍結(jié)／釋放，管理外圍驅(qū)動(dòng)；也包括了體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)狀態(tài)保存／恢復(fù)等。本小節(jié)由休眠準(zhǔn)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(zhǔn)備
    在本文中，將suspend_prepare函數(shù)、suspend_devices_and_enter函數(shù)中的大部分內(nèi)容劃分為休眠準(zhǔn)備部分。
    suspend_prepare函數(shù)的主要作用如下：
    (1)用一個(gè)全局變量保存好控制臺(tái)。
    (2)執(zhí)行pm_notifier_call_chain函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用notifier_call_chain函數(shù)來(lái)通知事件(將休眠)的到達(dá)。
    (3)凍結(jié)進(jìn)程，這通過(guò)freeze_processses函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
    在suspend_devices_and_enter函數(shù)中執(zhí)行剩余的休眠準(zhǔn)備工作：
    (1)調(diào)用suspend_ops->begin。
    (2)調(diào)用suspend_console函數(shù)獲取控制臺(tái)信號(hào)量以休眠控制臺(tái)。
    (3)調(diào)用dpm_suspend_start函數(shù)，該函數(shù)分為兩步。[!--empirenews.page--]
    首先調(diào)用device_prepare，該設(shè)備準(zhǔn)備函數(shù)通常無(wú)操作；然后調(diào)用device_suspend函數(shù)，使設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)入休眠模式。在該函數(shù)中，系統(tǒng)會(huì)遍歷dpm_active鏈表，為該鏈表上的每個(gè)驅(qū)動(dòng)調(diào)用suspend函數(shù)(該函數(shù)負(fù)責(zé)掛起設(shè)備驅(qū)動(dòng))，正常返回后會(huì)將其移至dpm_off鏈表隊(duì)列。至此，已完成休眠準(zhǔn)備部分的工作。下面以音頻驅(qū)動(dòng)為例展示設(shè)備驅(qū)動(dòng)suspend函數(shù)的填寫(xiě)(函數(shù)頭略)：

    這段代碼主要實(shí)現(xiàn)：保存音頻設(shè)備硬件寄存器；禁止音頻設(shè)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(zhǔn)備工作，接下來(lái)就是進(jìn)入休眠。suspend_enter是休眠進(jìn)入函數(shù)，該函數(shù)將調(diào)用suspend_ops->enter(state)，調(diào)用該函數(shù)即是調(diào)用SEP0611驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)sep_pm_enter；該接口函數(shù)在sep_pm．c中實(shí)現(xiàn)。該文件將保存在CPU寄存器，將休眠代碼搬運(yùn)到sram中，然后系統(tǒng)在sram中執(zhí)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(dāng)系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)，一旦接收到喚醒事件的中斷，如內(nèi)部的RTC ALARM中斷或者外部的Wakeup按鍵信號(hào)才能夠讓系統(tǒng)退出休眠，即喚醒系統(tǒng)。綜上，進(jìn)入／退出休眠的代碼流程圖如圖2所示。

    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(zhuǎn)到sram執(zhí)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 functo sram函數(shù)搬運(yùn)至sram中；而跳轉(zhuǎn)通過(guò)將sram的物理地址靜態(tài)映射到linux內(nèi)核(在對(duì)應(yīng)架構(gòu)的mm．c中)實(shí)現(xiàn)。此后，系統(tǒng)處于休眠(sleep)模式，直至喚醒信號(hào)的到來(lái)。SEP0611中可用的喚醒信號(hào)有：電源鍵、RTC的ALARM中斷、外部GPIO(AO)口。一旦喚醒信號(hào)到來(lái)，即是該執(zhí)行休眠退出部分了。PMU硬件部分將讓系統(tǒng)重新上電，而軟件則回到bootloader部分執(zhí)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(fù)CPU各模式狀態(tài)，此后回到linux操作系統(tǒng)。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(fù)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(tǒng)執(zhí)行。
3．3 完成喚醒
    上面講到了程序回到linux系統(tǒng)執(zhí)行后，休眠內(nèi)核層將通過(guò)suspend_devices_and_enter函數(shù)中位于調(diào)用suspend_enter之后的部分和sus pend_finish函數(shù)完成與休眠準(zhǔn)備相逆的操作。
    首先在suspend_devices_and_enter函數(shù)中執(zhí)行以下完成喚醒的工作：
    (1)調(diào)用dpm_suspend_end函數(shù)，該函數(shù)分為兩步。
    首先調(diào)用設(shè)備喚醒函數(shù)device_resume，該函數(shù)會(huì)遍歷dpm_off鏈表隊(duì)列，依次調(diào)用該隊(duì)列上設(shè)備驅(qū)動(dòng)的resume函數(shù)，讓驅(qū)動(dòng)恢復(fù)正常工作模式，并將其從dpm_off隊(duì)列恢復(fù)至dpm_active隊(duì)列。然后調(diào)用device_complete函數(shù)，該函數(shù)通常無(wú)操作。下面仍以音頻驅(qū)動(dòng)為例展示設(shè)備驅(qū)動(dòng)resume函數(shù)的填寫(xiě)(函數(shù)頭略)：
   
    這段代碼主要實(shí)現(xiàn)：
    (1)使能音頻設(shè)備時(shí)鐘；初始化音頻相關(guān)的GPIO口；恢復(fù)音頻設(shè)備硬件寄存器。
    (2)調(diào)用resume_console函數(shù)釋放控制臺(tái)信號(hào)量以喚醒控制臺(tái)。
    (3)調(diào)用suspend_ops->end。
    其次suspend_finish函數(shù)完成與suspend_prepare函數(shù)相逆的操作：
    (1)喚醒進(jìn)程，通過(guò)thaw_processses函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
    (2) 執(zhí)行pm_notitier_call_chain函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用notifier_call_chain函數(shù)來(lái)通知事件(完成喚醒)的到達(dá)。
    (3)從全局變量恢復(fù)控制臺(tái)。
    至此，系統(tǒng)完成喚醒，且系統(tǒng)中所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)能正常工作。
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4 驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證
4．1 驗(yàn)證環(huán)境和方法
    驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證在江蘇東大集成電路有限公司生產(chǎn)的功耗測(cè)試板上進(jìn)行，該測(cè)試板編號(hào)為：SEUIC東集PCB602DEMO0611，生產(chǎn)日期為2011．  05．13。測(cè)試時(shí)：CPU運(yùn)行在800MHz，AHB總線(xiàn)運(yùn)行在180MHz，DDR運(yùn)行在400MHz；測(cè)試板采用4路LDO供電，4路分別為core、arm、ddr phy、cpu io。測(cè)試方法為：1) 用萬(wàn)用表的毫安檔測(cè)試電流，每測(cè)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(tǒng)中sysfs文件系統(tǒng)提供的接口讓測(cè)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(tǒng)，喚醒后驗(yàn)證設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。
4. 2 驗(yàn)證結(jié)果
    測(cè)試的0Ω電阻上的電流值如表1所示。b-s(mA)列代表系統(tǒng)休眠之前某電阻上的電流值；i-s(mA)列代表系統(tǒng)休眠之時(shí)某電阻上的電流值；a-s(mA)列代表系統(tǒng)完成喚醒時(shí)某電阻上的電流值；最后一列除了包含了上面提到了4路外，還包含DDR顆粒(ddr_mem)和外設(shè)(io)這兩路。在休眠之前和完成喚醒后，系統(tǒng)都處于空閑模式。

    由表1可見(jiàn)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，core、arm、ddr_phy、cpu_io這四路的電流下降為0，因?yàn)檫@4路電壓都為0，而此時(shí)DDR顆粒和外設(shè)上分別有14mA和17mA的電流。在測(cè)量各路電流的同時(shí)，還采用穩(wěn)壓源供電，測(cè)試了板級(jí)總電流：系統(tǒng)休眠之前的板級(jí)總電流為287mA，休眠之時(shí)為23mA，完成喚醒時(shí)為284mA。
    在系統(tǒng)完成喚醒后，測(cè)試了系統(tǒng)中所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)的工作情況：系統(tǒng)中的包括TIMER、CPU這樣的系統(tǒng)設(shè)備工作正常：系統(tǒng)中的外設(shè)驅(qū)動(dòng)包括UART、LCDC、I2C、I2S、SDIO、NAND、USB等都能正常工作。

5 結(jié)論
    由于在系統(tǒng)休眠時(shí)4路LDO的掉電和除常開(kāi)區(qū)外各路時(shí)鐘的切斷，系統(tǒng)休眠的電流降到了23mA。這個(gè)數(shù)值為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的8％，大大降低了系統(tǒng)的功耗。目前的休眠電流主要消耗在DDR顆粒和外部io上，這都有改進(jìn)的空間，例如：可以通過(guò)配置DDR控制器優(yōu)化DDR時(shí)序、打開(kāi)DDR的低功耗模式；采用具有更低功耗的DDR3顆粒；可以檢查整板電路，是否在測(cè)試板休眠時(shí)有回路導(dǎo)致電流泄漏；可以檢查io電路，等等?？傮w來(lái)說(shuō)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了SEP0611處理器板級(jí)的休眠和喚醒、所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)的休眠和喚醒；完成了電源管理驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)；并在功耗測(cè)試板上驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)的正確性。這對(duì)以后管理、降低SEP0611平臺(tái)的整板功耗有重要意義，對(duì)其他平臺(tái)下的電源管理驅(qū)動(dòng)也有一定的借鑒意義。