嵌入式Linux的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)
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關(guān)鍵詞 嵌入式Linux 動(dòng)態(tài)電源管理 智能終端 DPM
引 言
如何有效地管理嵌入式系統(tǒng)，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(tǒng)級(jí)別的電源管理能力，包含CPU工作頻率和電壓，外部總線時(shí)鐘頻率，外部設(shè)備時(shí)鐘／電源等方面的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、管理功能。通過(guò)用戶層制定策略與內(nèi)核提供管理功能交互，實(shí)時(shí)調(diào)整電源參數(shù)而同時(shí)滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求，允許電源管理參數(shù)在短時(shí)間的空閑或任務(wù)運(yùn)行在低電源需求時(shí)，可以被頻繁地、低延遲地調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)、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(dāng)電路工作或邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生活動(dòng)功耗，未發(fā)生轉(zhuǎn)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(tǒng)級(jí)的電源管理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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：
①電壓／時(shí)鐘調(diào)節(jié)。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。
②時(shí)鐘選通。停止電路時(shí)鐘，即設(shè)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(shè)等。
③電源供應(yīng)選通。斷開(kāi)電路中不使用的模塊電源供應(yīng)。這種方法需要考慮重新恢復(fù)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(yīng)可以減少電源消耗，但要能夠正確預(yù)測(cè)硬件模塊的空閑時(shí)期。因?yàn)橹匦率鼓苡布K時(shí)鐘和電源會(huì)造成一定延遲，不正確的預(yù)測(cè)將導(dǎo)致性能下降。
從式(1)可以看出：降低電壓對(duì)功耗的貢獻(xiàn)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(zhǎng)同一任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。設(shè)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)踐中頻率近似線性依賴電壓)，再根據(jù)式(1)容易得到P高=8P低。綜合上式可以得出：E高=4E低，所以，選擇滿足性能所需的最低時(shí)鐘頻率，在時(shí)鐘頻率和各種系統(tǒng)部件運(yùn)行電壓要求范圍內(nèi)，設(shè)定最低的電源電壓，將會(huì)大量減少系統(tǒng)功耗。上例中完成任務(wù)所需的能量可以節(jié)約75％。
2 硬件平臺(tái)對(duì)動(dòng)態(tài)電源管理的支持
通過(guò)調(diào)節(jié)電壓、頻率來(lái)減少系統(tǒng)活動(dòng)功耗需要硬件支持。SoC系統(tǒng)一般有多個(gè)執(zhí)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(shù)據(jù)緩存和指令緩存，其他模塊統(tǒng)稱為外圍模塊(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總線提供其他頻率時(shí)鐘。一般SoC系統(tǒng)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(tǒng)的電源供應(yīng)狀態(tài)。一般有自己的低頻、高準(zhǔn)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(shè)備能夠喚醒掛起的SoC系統(tǒng)。下面以一個(gè)廣泛用于手持設(shè)備的TI0MAPl610處理器為例。
①時(shí)鐘模塊。OMAPl610提供一個(gè)數(shù)字相控鎖環(huán)(DPLL)，將外頻或晶振輸入轉(zhuǎn)化為高頻，供給OMAP 3．2核以及其他片上設(shè)備。操作DPLL控制寄存器DPLLl_CTL_REG就可以設(shè)置DPLL輸出時(shí)鐘，輔以設(shè)置時(shí)鐘復(fù)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(yùn)行頻率，MPU、DSP外設(shè)時(shí)鐘，以及LCD刷新時(shí)鐘，TC_CK時(shí)鐘(Trafflc Control Clock)等。
②電源管理模塊。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(shè)置處理器電壓、管理運(yùn)行模式。
3 嵌入式Linux動(dòng)態(tài)電源管理軟件實(shí)現(xiàn)
嵌入式Linux已被廣泛應(yīng)用在電源功耗敏感的嵌入式設(shè)備上，特別是移動(dòng)手持設(shè)備；因此，設(shè)計(jì)高效、精細(xì)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(xiàn)原理
系統(tǒng)運(yùn)行在常見(jiàn)的幾種不同狀態(tài)，有不同電源級(jí)別要求，其中蘊(yùn)涵著豐富的節(jié)能機(jī)會(huì)。狀態(tài)轉(zhuǎn)化如圖1所示。
①系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)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(jí)別，例如播放MP3可以降低處理器的頻率，而運(yùn)行在線互動(dòng)游戲時(shí)則要求處理器全速運(yùn)行，所以DPM需要在不同任務(wù)中提供電源管理服務(wù)。
②系統(tǒng)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(jié)省電源。
③系統(tǒng)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)。
④系統(tǒng)在任務(wù)狀態(tài)下可進(jìn)入睡眠模式。系統(tǒng)可掛起到RAM或者其他存儲(chǔ)器中，關(guān)閉外設(shè)，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(tái)掛起／恢復(fù)、設(shè)備電源管理以及平臺(tái)動(dòng)態(tài)管理等三類(lèi)。平臺(tái)掛起／恢復(fù)目標(biāo)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(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的空閑之后，減少電源消耗。設(shè)備電源管理用于關(guān)斷／恢復(fù)平臺(tái)中的設(shè)備(平臺(tái)掛起／恢復(fù)以及動(dòng)態(tài)管理中均要用到)；而平臺(tái)動(dòng)態(tài)管理目標(biāo)在于頻繁發(fā)生、更高粒度的電源狀態(tài)改變范圍之內(nèi)的管理。系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)可以細(xì)分為普通任務(wù)和功率受監(jiān)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(duì)功率敏感，在被調(diào)度時(shí)(參見(jiàn)圖1)可以通過(guò)DPM來(lái)設(shè)置其電源管理狀態(tài)，要求運(yùn)行在不同的電源級(jí)別。本文重點(diǎn)描述平臺(tái)動(dòng)態(tài)電源管理和設(shè)備電源管理兩類(lèi)，并將設(shè)備電源管理視為動(dòng)態(tài)電源管理的組成部分。
3.2平臺(tái)動(dòng)態(tài)電源管理設(shè)計(jì)
在Linux架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)電源管理內(nèi)核模塊需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用層和操作系統(tǒng)的接口，一個(gè)為多個(gè)硬件平臺(tái)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(tái)相關(guān)電源控制層。
3.2.1 內(nèi)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。
①用電源管理操作點(diǎn)對(duì)應(yīng)平臺(tái)硬件相關(guān)參數(shù)。例如，TIOMAPl610參考開(kāi)發(fā)板有多個(gè)參數(shù)：CPU電壓、DPLL頻率控制(通過(guò)倍頻器和分頻器兩個(gè)參數(shù))、CPU頻率控制、TC交通控制器、外部設(shè)備控制、DSP運(yùn)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(shù)為不可控，均使用默認(rèn)值，如表1所列。
其中，“192 MHz—1．5 V”操作點(diǎn)參數(shù)“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(yùn)行在192 MHz)“2”表示TC(交通控制器)分頻為2(所以它運(yùn)行在96 MHz)．
②類(lèi)：多個(gè)操作點(diǎn)組成一個(gè)管理類(lèi)。
③策略：多個(gè)或一個(gè)類(lèi)組成策略。
一般可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，直接將DPM策略映射到一個(gè)系統(tǒng)操作狀態(tài)下特定的DPM操作點(diǎn)，如表2所列。復(fù)雜點(diǎn)系統(tǒng)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(jù)操作狀態(tài)切換時(shí)選擇管理類(lèi)中滿足約束的第一個(gè)操作點(diǎn)。
表2中策略映射到四個(gè)操作點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)“sleep”、 “idle”、“task-1”、“task”四種電源狀態(tài)。除非用戶加以改變，否則系統(tǒng)fork創(chuàng)建的任務(wù)默認(rèn)運(yùn)行在DPM-TASK-STATE狀態(tài)，對(duì)應(yīng)表2中task狀態(tài)，其操作點(diǎn)為192 MHz-1．5 V。
通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，電源管理系統(tǒng)把系統(tǒng)創(chuàng)建的任務(wù)和具體的電源管理硬件單元參數(shù)連接起來(lái)，為任務(wù)間精細(xì)電源管理提供一個(gè)框架。
3.2.2內(nèi)核功能實(shí)現(xiàn)
如圖2所示，DPM軟件實(shí)現(xiàn)可以分為應(yīng)用層、內(nèi)核層、硬件設(shè)備等幾個(gè)部分。其中內(nèi)核層又可以分為接口層，硬件無(wú)關(guān)層和內(nèi)核硬件相關(guān)層(圖2中虛線部分)，可以分為以下幾個(gè)方面來(lái)描述。
第一，用戶層可以通過(guò)內(nèi)核提供的sysfs文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型(LDM)接口來(lái)進(jìn)行電源管理。DPM實(shí)現(xiàn)還提供Proc接口來(lái)實(shí)現(xiàn)電源管理的命令；也可以通過(guò)增加系統(tǒng)調(diào)用接口使用戶程序更容易調(diào)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(dāng)前任務(wù)電源狀態(tài)設(shè)置到硬件參數(shù)。
第二，內(nèi)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(xiàn)API調(diào)用，選擇操作點(diǎn)，提供操作點(diǎn)設(shè)置的同步和異步邏輯等。
設(shè)備電源管理模塊還實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)約束，通過(guò)LDM接口管理設(shè)備時(shí)鐘和電源，提供掛起和恢復(fù)控制。 設(shè)備時(shí)鐘電源關(guān)層主要對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的各種總線和設(shè)備時(shí)鐘電源參數(shù)管理。
3.2.3 設(shè)備電源管理和驅(qū)動(dòng)約束
DPM通過(guò)LDM可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行電源管理。LDM中device_driver結(jié)構(gòu)有設(shè)備掛起和恢復(fù)等回調(diào)函數(shù)，device結(jié)構(gòu)有驅(qū)動(dòng)約束。需要在設(shè)備初始化時(shí)使用注冊(cè)函數(shù)向相應(yīng)系統(tǒng)總線注冊(cè)該設(shè)備。例如，簡(jiǎn)化后12C的LDM相關(guān)參數(shù)為：
I2C驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到MPU公有TI外圍總線：driver_reg-ister(&omap_i2c_driver)platform_device_register(&omap_i2c_device)。在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)掛起和恢復(fù)函數(shù)：omap_i2c_controller_suspen(&omap_i2c_device)，omap_i2c_con-troller_resume(&omap_i2c_deviee)。這樣，所有注冊(cè)到系統(tǒng)的設(shè)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(shè)備的電源狀態(tài)。在多種情況下，可利用該接口來(lái)掛斷設(shè)備，例如：應(yīng)用程序顯式掛斷應(yīng)用中不需要的設(shè)備；平臺(tái)掛起前需掛斷所有設(shè)備；當(dāng)DPM將系統(tǒng)設(shè)置到設(shè)備不兼容狀態(tài)時(shí)需掛起該設(shè)備等等。其中DPM中管理設(shè)備電源狀態(tài)時(shí)還提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)約束檢查(頻率相關(guān))。例如，當(dāng)系統(tǒng)電源狀態(tài)改變，準(zhǔn)備運(yùn)行在新的操作點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)約束檢查該狀態(tài)是否滿足設(shè)備正常運(yùn)行。如果不滿足，且當(dāng)前操作點(diǎn)force屬性設(shè)置為1，設(shè)備首先被LDM回調(diào)函數(shù)關(guān)斷(或?qū)⒃O(shè)備置于和此時(shí)PLL相應(yīng)的掛起狀態(tài))；如果滿足條件，則利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)函數(shù)轉(zhuǎn)到新?tīng)顟B(tài)。
驅(qū)動(dòng)約束還用于限制DPM操作方式。當(dāng)沒(méi)有設(shè)備被使用時(shí)，約束才允許DPM將系統(tǒng)轉(zhuǎn)到低電源空閑狀態(tài)。
4 總 結(jié)
DPM技術(shù)通過(guò)內(nèi)核模塊的方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)別電源管理、實(shí)現(xiàn)了有效的設(shè)備電源管理，滿足了嵌入式Linux的需求，補(bǔ)充了基于桌面系統(tǒng)APM和APCI電源管理技術(shù)的不足。實(shí)踐證明，DPM對(duì)嵌入式系統(tǒng)，尤其是移動(dòng)終端，能夠起到很好的節(jié)能效果。
當(dāng)然，動(dòng)態(tài)電源管理系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步完善。例如：①可以根據(jù)硬件和軟件收集系統(tǒng)負(fù)載狀態(tài)，使用Markov，鏈等手段準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電源狀態(tài)，從而設(shè)計(jì)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(fù)雜關(guān)系還需處理等等。
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