便攜式設備動態(tài)電源管理的Linux技

任何擁有筆記本電腦的人都會察覺，當依靠電池供電時，其便攜設備的行為與使用交流主電源供電時不同——顯示屏變暗、處理器的時鐘變慢、系統(tǒng)只要有可能就會轉(zhuǎn)入待機或睡眠狀態(tài)。pda用戶也發(fā)現(xiàn)，在停止使用一段時間后顯示屏將變暗，設備甚至進入睡眠狀態(tài)。蜂窩電話用戶也已經(jīng)注意到，背景光和按鍵照明在完成撥號之后會熄滅。事實上，這些可見行為的背后是軟硬件技術(shù)和節(jié)電機制在發(fā)揮作用。 　　全速運行、待機和睡眠等宏觀行為利用cpu的固有能力通過降低工作電壓或時鐘頻率來節(jié)省功耗。除了全面地改變系統(tǒng)狀態(tài)外，大多數(shù)設備用戶察覺不到的是，實際的電源管理也能夠逐漸地改變系統(tǒng)狀態(tài)，這種情況在一秒之內(nèi)可以發(fā)生數(shù)百次。　　任何動態(tài)電源管理策略的基礎都是調(diào)整便攜式設備中一個或多個處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率，此外，在高集成度的powerpc、arm和基于x86的系統(tǒng)中經(jīng)常包含一個dsp或智能基帶處理器。的確，諸如英特爾的strongarm和xscale處理器、ti的omap處理器系列以及ibm的powerpc 405lp和transmeta crusoe等cpu都提供內(nèi)核電壓和頻率的動態(tài)調(diào)節(jié)功能。不過，現(xiàn)代的嵌入式處理器具有非常高的電源效率，以至于cpu并不總是最主要的耗能器件，其它高耗能的器件包括高性能存儲器、彩色顯示器和射頻接口等。因此，如果動態(tài)電源管理系統(tǒng)只能調(diào)節(jié)處理器內(nèi)核的電壓和頻率，那么它的用途將有限?！　∫粋€真正有用的動態(tài)電源管理方案應該可以采用與cpu內(nèi)核運行相協(xié)調(diào)或相獨立的方式，支持對一系列電壓和時鐘的快速調(diào)節(jié)?！　pm架構(gòu)　　兩個現(xiàn)有的電源管理方案分別來自于pc和筆記本電腦領域：一個是傳統(tǒng)的高級電源管理(apm)方案，它目前仍然使用在許多基于linux的便攜設備中，但在基于微軟操作系統(tǒng)的筆記本電腦和手持設備中已經(jīng)被逐步淘汰；另一個是高級配置和電源接口(acpi)方案，它是英特爾、東芝和其他一些公司支持的現(xiàn)行標準。在pc、筆記本電腦、服務器、甚至刀片式通信設備等商業(yè)硬件中，類似acpi的系統(tǒng)是人們的首選，但它強烈依賴于流行的x86/ia-32 bios 架構(gòu)?！　∏度胧较到y(tǒng)通常沒有類似于pc中的bios，而且通常不具備那么高的機器抽象水平，能夠把操作系統(tǒng)與低層次的設備和電源管理活動隔離開來。與其它瞄準電池供電應用的操作系統(tǒng)類似，在嵌入式linux中，電源管理活動需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核和設備驅(qū)動程序進行特殊的干預。不過，需要重點強調(diào)的是，雖然低層次的動態(tài)電源管理是駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，但電源管理策略和機制是來源于中間件和用戶應用代碼?！　〗涌诤蚢pi　　理想的電源管理系統(tǒng)應盡可能對更多軟件堆棧層達到幾乎完全透明的程度。事實上，這是transmeta公司在其crusoe架構(gòu)中所遵循的路線，而且已經(jīng)成為基于bios的現(xiàn)有電源管理方案追求的目標。然而，具備手持設備設計經(jīng)驗的開發(fā)人員證實，系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間需要某種程度的直接合作，具體描述如下：　　內(nèi)核接口　　在面向linux的dpm架構(gòu)中，內(nèi)核中的dpm子系統(tǒng)負責維持整個系統(tǒng)的電源狀態(tài)，并把dpm系統(tǒng)的不同電源管理模塊聯(lián)系在一起。如果內(nèi)核的任何其它部分需要與dpm直接對話(盡管這種情況相對較少)，那么最好把dpm看成是為驅(qū)動程序、中間件和應用程序提供服務的元素?！　◎?qū)動程序接口　　支持dpm功能的設備驅(qū)動程序比默認的驅(qū)動程序更了解系統(tǒng)狀態(tài)：它們在外部事件的驅(qū)使下通過設定不同的狀態(tài)來反映或遵循那些操作機制，或者通過來自內(nèi)核 dpm子系統(tǒng)的調(diào)用來反映或遵循那些操作機制。為了實現(xiàn)更精確的機制決策，驅(qū)動程序api也允許驅(qū)動程序注冊與它們接口或由它們管理的那些設備的基礎操作特征。　　應用程序api　　應用程序可以分為三類：
　　*電源管理知會型(pm-aware)應用程序
　　*在電源管理知會“包裹器”中的傳統(tǒng)應用程序
　　*不帶有電源管理的傳統(tǒng)應用程序　　電源管理知會型應用程序能夠利用機制管理器提供的api，建立其基本的約束條件，并強迫電源管理機制發(fā)生與其執(zhí)行需求相匹配的變化。不直接帶有電源管理能力的傳統(tǒng)應用程序能夠被“包裹”在代碼或補丁中，以達到較高的效率，但它們也能夠根據(jù)更大范圍的默認機制管理，按默認的行為運行?！　≡谇度胧絣inux dpm下的實際機制包括以下api，如dpm_set_os()(內(nèi)核)、assert_constraint()、remove_constraint ()和set_operating_state()(內(nèi)核和驅(qū)動程序)、set_policy()和set_task_state()(經(jīng)系統(tǒng)的用戶級調(diào)用)以及/proc接口。　　對實時性能的影響　　迄今為止，調(diào)整cpu電壓和頻率對系統(tǒng)的實時性能而言依然是一個重大挑戰(zhàn)。任何參數(shù)的改變都將