Linux電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介，你了解嗎？

時間：2020-09-23 00:54:54

關(guān)鍵字： Linux 電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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[導(dǎo)讀]任何系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)都需要能量。計算機系統(tǒng)依靠電能運行。而能量的獲取是有成本的，因此如果能在保證系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)省對能量的消耗，就會大大提升該系統(tǒng)的生存競爭力。這方面，大自然已經(jīng)做的很好了，如植物的落葉，如動物的冬眠，等等。而在計算機的世界里(這里以運行Linux OS的嵌入式系統(tǒng)為例)，稱作電源管理(Power Management)。

任何系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)都需要能量。計算機系統(tǒng)依靠電能運行。而能量的獲取是有成本的，因此如果能在保證系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)省對能量的消耗，就會大大提升該系統(tǒng)的生存競爭力。這方面，大自然已經(jīng)做的很好了，如植物的落葉，如動物的冬眠，等等。而在計算機的世界里(這里以運行Linux OS的嵌入式系統(tǒng)為例)，稱作電源管理(Power Management)。

通俗的講，電源管理就是：“想讓馬兒跑，不想馬吃草”。不過，從能量守恒的角度，想讓馬兒跑多快、跑多久，就一定要讓它吃相應(yīng)數(shù)量的草。那么我們就退而求其次：“只在需要馬兒跑時，才讓它吃草”。這就是電源管理的核心思想。那方法呢?可以這樣：

方法1：不需要馬兒跑時，把它殺掉，這樣就不吃草了。需要馬兒跑時，再養(yǎng)一匹。

在現(xiàn)實世界中，除了傻瓜，應(yīng)該沒人使用這種方法。因為重新養(yǎng)一匹馬需要時間----我哪里等得及，需要草----有可能比養(yǎng)一匹閑馬需要的更多。

方法2：不需要馬兒跑時，讓它睡覺，不能睜眼，不能動，不能叫。

先不講馬兒是否愿意一直睡覺，這種方法只能減少馬兒吃草的數(shù)量，因為它的心臟還在跳動、血液還在流通，這些也消耗能量。不過還好，需要馬兒跑時，應(yīng)該不需要等太久了。

方法3：不是說心臟跳動、血液流通也消耗能量嗎?那把這些也停下來好了，能省多少是多少嘛。

確實是好方法，不多得先去問問獸醫(yī)，能不能搞定。不過以現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)水平，估計實現(xiàn)不了啊。

在計算機世界中，上面的方法是再平常不過的了，而且控制的遠比這些精細。因為計算機是人類設(shè)計出來的，而馬兒卻是經(jīng)上帝之手。不過通過馬兒的例子，我們可以總結(jié)出電源管理的基本行為：

a, 實時的關(guān)閉暫時不使用的部分(可稱作“工作狀態(tài)到非工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)移”)。例如手機在口袋時，屏幕沒必要亮。

b, 當需要重新使用那些已關(guān)閉部分時(可稱作“非工作狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)移”)，不能有太長時間的等待，且轉(zhuǎn)移過程不能消耗太多的能量。上面的方法1就是一個反面教材，但在計算機的世界里，情況會好很多。

2. Linux電源管理的組成

電源管理(Power Management)在Linux Kernel中，是一個比較龐大的子系統(tǒng)，涉及到供電(Power Supply)、充電(Charger)、時鐘(Clock)、頻率(Frequency)、電壓(Voltage)、睡眠/喚醒(Suspend /Resume)等方方面面(如下圖)，蝸蝸會在Linux電源管理系列文章中，對它們一一講述。

注1：該圖片只是一個示意圖，并沒有劃分軟件層次，因此模塊之間的關(guān)系不一定是真正的關(guān)系。

在對圖片中的這些組件(也可以稱作Framework)進行詳細描述之前，先在這里了解一下基本概念。

注 2：Framework是一個中間層的軟件，提供軟件開發(fā)的框架。其目有三：一是屏蔽具體的實現(xiàn)細節(jié)，固定對上的接口，這樣可以方便上層軟件的開發(fā)和維護;二是盡可能抽象公共邏輯，并在Framework內(nèi)實現(xiàn)，以提高重用性、減少開發(fā)量;三是向下層提供一系列的回調(diào)函數(shù)(callback function)，下層軟件可能面對差別較大的現(xiàn)實，但只要填充這些回調(diào)函數(shù)，即可完成所有邏輯，減小了開發(fā)的難度。

Power Supply，是一個供用戶空間程序監(jiān)控系統(tǒng)的供電狀態(tài)(電池供電、USB供電、AC供電等等)的class。通俗的講，它是一個Battery&Charger驅(qū)動的Framework

Clock Framework，Clock驅(qū)動的Framework，用于統(tǒng)一管理系統(tǒng)的時鐘資源

Regulator Framework，Voltage/Current Regulator驅(qū)動的Framework。該驅(qū)動用于調(diào)節(jié)CPU等模塊的電壓和電流值

Dynamic Tick/Clock Event，在傳統(tǒng)的Linux Kernel中，系統(tǒng)Tick是固定周期(如10ms)的，因此每隔一個Tick，就會產(chǎn)生一個Timer中斷。這會喚醒處于Idle或者Sleep狀態(tài) 的CPU，而很多時候這種喚醒是沒有意義的。因此新的Kernel就提出了Dynamic Tick的概念，Tick不再是周期性的，而是根據(jù)系統(tǒng)中定時器的情況，不規(guī)律的產(chǎn)生，這樣可以減少很多無用的Timer中斷

CPU Idle，用于控制CPU Idle狀態(tài)的Framework

Generic PM，傳統(tǒng)意義上的Power Management，如Power Off、Suspend to RAM、Suspend to Disk、Hibernate等

Runtime PM and Wakelock，運行時的Power Management，不再需要用戶程序的干涉，由Kernel統(tǒng)一調(diào)度，實時的關(guān)閉或打開設(shè)備，以便在使用性能和省電性能之間找到最佳的平衡

注 3：Runtime PM是Linux Kernel親生的運行時電源管理機制，Wakelock是由Android提出的機制。這兩種機制的目的是一樣的，因此只需要支持一種即可。另外，由于 Wakelock機制路子太野了，飽受Linux社區(qū)的鄙視，因此我們不會對該機制進行太多的描述。

CPU Freq/Device Freq，用于實現(xiàn)CPU以及Device頻率調(diào)整的Framework

OPP(Operating Performance Point)，是指可以使SOCs或者Devices正常工作的電壓和頻率組合。內(nèi)核提供這一個Layer，是為了在眾多的電壓和頻率組合中，篩選出一些相對固定的組合，從而使事情變得更為簡單一些

PM QOS，所謂的PM QOS，是指系統(tǒng)在指定的運行狀態(tài)下(不同電壓、頻率，不同模式之間切換，等等)的工作質(zhì)量，包括latency、timeout、throughput三個參數(shù)，單位分別為us、us和kb/s。通過QOS參數(shù)，可以分析、改善系統(tǒng)的性能

3. Kernel中電源管理相關(guān)的Source code匯整

在蝸蝸使用的Linux 3.10.29版本的內(nèi)核中，電源管理有關(guān)的Source code分別位于：

kernel/power/ *

drivers/power/

drivers/base/power/*

drivers/cpuidle/*

drivers/cpufreq/*

drivers/devfreq/*

include/linux/power_supply.h

include/linux/cpuidle.h

include/linux/cpufreq.h

include/linux/cpu_pm.h