便攜嵌入式設(shè)備電源管理解決方案

前言

隨著各種便攜嵌入式設(shè)備性能的日益提高，功能日益豐富，其電源緊張的問題也日益突出，國內(nèi)新推出的某些具有PDA等多種功能的智能電話在密集使用下只能維持半天，多數(shù)攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)在一次充電后都只有一個(gè)小時(shí)左右的累積工作時(shí)間。Linux作為一個(gè)開放源代碼的操作系統(tǒng)，擁有非常豐富的軟件資源和平臺(tái)支持，這使得嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的周期大大縮短，越來越多的商用和通用嵌入式系統(tǒng)都采用Linux作為軟件平臺(tái)。因此有必要對Linux系統(tǒng)的電源管理機(jī)制進(jìn)行深入研究。

Linux內(nèi)核電源管理機(jī)制分析

Linux作為一個(gè)強(qiáng)大而成熟的操作系統(tǒng)，本身提供了一套從用戶空間到系統(tǒng)空間的，由上而下的軟件電源管理機(jī)制。

電源管理子系統(tǒng)

Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電源管理子系統(tǒng)用于統(tǒng)一管理每個(gè)設(shè)備。源代碼pm.h和pm.c中定義和實(shí)現(xiàn)了主要的接口函數(shù)。如表1所示。

通過這些接口函數(shù)就可以將自己的硬件設(shè)備納入電源管理子系統(tǒng)使其成為系統(tǒng)電源管理的一部分。這需要在編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候完成下面的工作:

1）在初始化驅(qū)動(dòng)時(shí)，使用pm_ regiSTer對設(shè)備的每個(gè)實(shí)例（ instance）進(jìn)行注冊;在清除驅(qū)動(dòng)時(shí)使用pm_unregister來取消設(shè)備的注冊。

（2）在對硬件進(jìn)行操作之前調(diào)用pm_access （這樣會(huì)保證設(shè)備已被喚醒并且處于ready狀態(tài)） 。

（3）編寫自己的pm _callback函數(shù)。開發(fā)人員應(yīng)該在設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)入suspend狀態(tài)時(shí)保留設(shè)備和系統(tǒng)的上下文到安全的地方，并在設(shè)備或系統(tǒng)re -sume時(shí)恢復(fù)其上下文，使之能夠繼續(xù)運(yùn)行，編寫pm_callback函數(shù)是驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備電源管理的重點(diǎn)。

（4）當(dāng)設(shè)備不在被使用的時(shí)候調(diào)用pm_dev_idle函數(shù)，這個(gè)操作是可選的，可以增強(qiáng)設(shè)備idle狀態(tài)的監(jiān)測能力。

電源管理設(shè)備

將設(shè)備加入到電源管理子系統(tǒng)后，該設(shè)備就已經(jīng)有了處理電源管理請求的能力，但是系統(tǒng)的電源管理行為并不會(huì)主動(dòng)發(fā)生。因此還需要一個(gè)電源管理設(shè)備來接受用戶請求，產(chǎn)生電源管理行為。這里所指的設(shè)備并不是一個(gè)真實(shí)的硬件設(shè)備，而是一個(gè)在Linux系統(tǒng)空間里接受用戶控制的虛擬設(shè)備，它可以是一個(gè)簡單的字符型設(shè)備。有了這個(gè)設(shè)備，就可以方便的實(shí)現(xiàn)來自于用戶空間的電源管理請求和方案。Linux電源管理行為過程如圖1所示。

圖1　Linux電源管理行為過程

Linux的電源管理機(jī)制在iPAQ上的應(yīng)用

iPAQ是康柏公司（現(xiàn)在已和惠普公司合并）推出的基于StrONgARM CPU 的高性能掌上電腦，不僅提供了卓越的個(gè)人信息管理工具，還集成了較為強(qiáng)大的多媒體功能和其他娛樂功能。Linux 2.4的內(nèi)核已經(jīng)被成功的移植到上面，基于Linux系統(tǒng)眾多的應(yīng)用軟件也已經(jīng)或正在被移植。

iPAQ硬件耗電量分析

要實(shí)現(xiàn)對iPAQ 耗電量的有效調(diào)節(jié)，就必須清楚各個(gè)硬件耗電量，從而確定出需要管理和調(diào)節(jié)的對象。iPAQ上的各種硬件的耗電量比例如圖2所示。

圖2　iPAQ上的各種硬件的耗電量比例

可見，F(xiàn)rontlight、LCD、SDRAM、Audio、CPU等是主要的耗電設(shè)備，應(yīng)該盡可能的減少這些設(shè)備的工作時(shí)間和強(qiáng)度，以減少耗電量，其關(guān)鍵步驟如下:首先，開啟SDRAM的自動(dòng)節(jié)能模式。iPAQ所使用的SA -1110支持SDRAM的自動(dòng)節(jié)能模式;在這種模式中，當(dāng)內(nèi)存不被使用時(shí)， CPU 將關(guān)閉輸入到內(nèi)存的時(shí)鐘信號(hào)，內(nèi)存停止工作;這樣將減少大約190mW的功率。

接著，調(diào)節(jié)顯示驅(qū)動(dòng)?？梢赃x擇（ 1）在必要的時(shí)候關(guān)閉背光; （ 2）降低LCD的刷新率。LCD在正常情況下刷新率是60Hz，通過調(diào)節(jié)LCD 定時(shí)器可以調(diào)節(jié)LCD的刷新率使其低于60Hz。降低LCD刷新率后，可以減少SDRAM，總線的使用和減少功耗; （3）在不使用屏幕的時(shí)候關(guān)閉LCD控制器。

隨后，降低時(shí)鐘頻率。SA - 1110的時(shí)鐘頻率可以在57. 3MHz到214. 8MHz之間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。降低CPU時(shí)鐘頻率可以減少CPU本身的功耗，同時(shí)也能減少時(shí)鐘由CPU提供的其他硬件的功耗。例如: SA- 1110工作在最低頻率時(shí)可比工作在最高頻率時(shí)減少100mW到200mW的功耗。

最后，關(guān)閉音頻芯片。在不使用聲音的時(shí)候，盡量關(guān)閉音頻芯片，并保持CPU 到音頻芯片的低輸入。

通過Linux電源管理機(jī)制及上層應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對iPAQ電源管理和耗電量調(diào)節(jié)

確定了要調(diào)控的對象和方法后，需要通過L inux的電源管理機(jī)制和上層應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)對這些硬件設(shè)備的控制。這包括編寫CPU電源管理代碼、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序及電源管理代碼、電源管理設(shè)備實(shí)現(xiàn)代碼和用戶空間控制應(yīng)用代碼。

（1）實(shí)現(xiàn)SA - 1110進(jìn)入Sleep電源模式的代碼

SA -1110有Normal， Idle， Sleep 等幾種電源模式，其中在Sleep模式下， SA -1110具有最小的電力消耗。由于SA -1110 進(jìn)入Sleep 模式后，到外設(shè)和SDRAM的時(shí)鐘將停止，多數(shù)的寄存器信息將丟失。因此需要事先將重要的寄存器值保存到內(nèi)存中，并將SDRAM設(shè)置為自刷新模式，以保持SDRAM中的數(shù)據(jù)。當(dāng)SA -1110 收到硬件中斷等喚醒源退出Sleep模式后不會(huì)接著執(zhí)行先前未執(zhí)行的指令，而是回到初始狀態(tài)去執(zhí)行啟動(dòng)代碼。因此為了讓CPU在喚醒后能夠持續(xù)的工作，需要將返回代碼的地址保存到PowerManager Scratch Pad Register （ PSPR）寄存器中，使得啟動(dòng)代碼能讓CPU重新跳到返回代碼的地址處，執(zhí)行返回代碼從而回到睡眠前的工作。[!--empirenews.page--]

SA - 1110進(jìn)入Sleep模式的代碼片斷如下:

extern void cpu_sa1110_resume （ voi 
d） ; /3 SA - 1110返回函數(shù)3 /
       extern int cpu_sa1110_do_suspend （ void） ; /3 SA - 1110睡眠函數(shù)3 /
       int sa1110_suspend （ void）
       {
       . . .
       cli （ ） ; /3 關(guān)閉中斷3 /
       sys_ctx. osmr0 = OSMR0; /3 保存重要的寄存器3 /
       . . .
       sys_ctx. p sdr = PSDR;
       . . .
       PSPR = virt_to_phys （ cpu_sa1100_resume） ; /3 設(shè)置返回函數(shù)地址3 /
       cpu_sa1110_do_suspend （ ） ; /3 進(jìn)入睡眠3 //3 退出睡眠3 /
       GPDR = sys_ctx. gpdr; /3 恢復(fù)寄存器3 /
       GRER = sys_ctx. grer;
       GFER = sys_ctx. gfer;
       GAFR = sys_ctx. gafr;
       . . .
       sti （ ） ; /3 啟動(dòng)中斷3 /
       return 0;
       }

（2）實(shí)現(xiàn)各個(gè)外設(shè)的電源管理代碼

利用Linux內(nèi)核提供電源管理子系統(tǒng)，可以將iPAQ中的每個(gè)需要實(shí)現(xiàn)電源管理的外部設(shè)備納入統(tǒng)一的管理。這需要在各個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中使用電源管理子系統(tǒng)的接口函數(shù)（如2. 1所描述）和實(shí)際的硬件操作代碼，這里將以顯示設(shè)備為例:

　　/3 SA - 1110 frame buffer電源管理請求處理函數(shù)3 /
       static int sa1110fb_pm_callback （ struct pm_dev 3 pm_dev， pm
       _request_t req， void

3 data）
       {
       struct sa1110fb_info 3 fbi = pm_dev - > data;
       if （ req = = PM_SUSPEND | | req = = PM_RESUME） {
       int state = （ int） data;
       if （ state = = 0） {
       set_ctrlr_ state （ fbi， C_ENABLE） ; /3 進(jìn)入D0 模式，開啟LCD控制器3 /
       } else {
    
    set_ctrlr_state （ fbi， C_D ISABLE） ; /3 進(jìn)入D1 - D3模式關(guān)閉LCD 控制器. 3 /
       } }
       return 0;
       }
       /3 SA - 1110 frAME buffer驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)3 /
       int __init sa1110fb_init （ void）
       {
       struct sa1110fb_info 3 fbi;
       int ret;
       . . .
       /3 在電源管理子系統(tǒng)中注冊3 /
       fbi - > pm = pm _ register （ PM _SYS_DEV， PM _SYS_VGA，
       sa1110fb_pm_callback） ;
       if （ fbi - > pm）
       fbi - > pm - > data = fbi; /3 設(shè)置私有數(shù)據(jù)3 / . . .
       return ret;
       }

3）實(shí)現(xiàn)電源管理設(shè)備

這個(gè)設(shè)備實(shí)際是用于接受用戶空間程序的控制所用，所以只需要簡單的實(shí)現(xiàn)“ioctl”調(diào)用就可以了。

　　/3 ioctl調(diào)用方法3 /
       static int do_ioctl （ struct inode 3 inode， struct file 3 filp， u_int
       cmd， u_long arg）
       { . . .
       switch （ cmd） {
       case APM_ IOC_STANDBY: {
       pm_send_all （ PM_SUSPEND， （ void 3 ） 2） ; /3 外設(shè)掛起3 /
 

;     } break;
       case APM_ IOC_RESUME: {
       pm_send_all （ PM_RESUME， （ void 3 ） 0） ; /3 外設(shè)喚醒3 /
       } break;
       case APM_ IOC_SUSPEND: { [!--empirenews.page--]
       pm_send_all （ PM_SUSPEND， （ void 3 ） 2） ; /3 外設(shè)掛起3 /
       sa1110_suspend （ ） ; /3 CPU進(jìn)入休眠模式3 /
       /3 CP 
U醒來，繼續(xù)執(zhí)行3 /
       pm_send_all （ PM_RESUME， （ void 3 ） 0） ; /3 喚醒外設(shè)3 /
       } break;
       default:
       return - EINVAL;
       }
       return 0;
       }

最后，使用命令“mknod /dev/ apm c 254 0”，可以在文件系統(tǒng)中建立起該設(shè)備的訪問節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)名為/dev/ apm，是一個(gè)字符設(shè)備（c） ，主設(shè)備號(hào)為254，此設(shè)備號(hào)為0。

（4）編寫用戶空間電源管理程序

用戶可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候選擇是否改變CPU的時(shí)鐘頻率和顯示刷新率，是否關(guān)閉某些外部設(shè)備，是否使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式等等。這只需要使用系統(tǒng)調(diào)用“ioctl”對電源管理設(shè)備（ /dev/ apm）發(fā)送命令就可以了。
       int fd;
       . . .
       fd = open （ " /dev/ apm" ， O_RDONLY） ; /3 打開電源管理設(shè)備3 /
       ioctl （ fd， APM_ IOC_SUSPEND，NULL） ; /3 發(fā)送電源管理命令3 /
       close （ fd） ; /3 關(guān)閉電源管理設(shè)備3 /

實(shí)現(xiàn)iPAQ電源管理前后耗電量比較

實(shí)現(xiàn)電源管理以前:開啟LCD， CPU 處于空閑狀態(tài)，大多數(shù)其他芯片關(guān)閉，功耗為470mW。實(shí)現(xiàn)電源管理以后:在電源管理前的基礎(chǔ)上開啟SDRAM 的自動(dòng)節(jié)能模式，功耗下降到280mW。然后降低LCD刷新率到30Hz， 功耗下降到238mW。再把CPU頻率降低到57. 3MHz，功耗下降到172mW。最后關(guān)閉LCD，功耗下降到98mW?？梢姡ㄟ^本文方案的調(diào)節(jié)和優(yōu)化， iPAQ的耗電量確實(shí)可以得到有效地改善，最大優(yōu)化后的耗電量僅為優(yōu)化前的五分之一，從而大大提高了iPAQ的電池使用時(shí)間。

結(jié)論

在嵌入式設(shè)備中，電源管理是一個(gè)硬件和軟件相結(jié)合的系統(tǒng)工程。本文介紹了已有的節(jié)能方法和Linux電源管理的機(jī)制， 并且以iPAQ 為例通過Linux的電源管理機(jī)制和上層應(yīng)用軟件，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)較完整和有效的電源管理方案，為眾多基于Linux系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備的電源管理提供了一個(gè)有用的參考。