嵌入式Linux的動態(tài)電源管理技術(shù)
關(guān)鍵詞 嵌入式Linux 動態(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)，尤其是移動終端的電源功耗，是一個很有價值的課題。動態(tài)電源管理DPM(Dynamic Power， Management)技術(shù)提供一種操作系統(tǒng)級別的電源管理能力，包含CPU工作頻率和電壓，外部總線時鐘頻率，外部設(shè)備時鐘／電源等方面的動態(tài)調(diào)節(jié)、管理功能。通過用戶層制定策略與內(nèi)核提供管理功能交互，實時調(diào)整電源參數(shù)而同時滿足系統(tǒng)實時應(yīng)用的需求，允許電源管理參數(shù)在短時間的空閑或任務(wù)運行在低電源需求時，可以被頻繁地、低延遲地調(diào)整，從而實現(xiàn)更精細(xì)、更智能的電源管理。
1 動態(tài)電源管理原理
CMOS電路的總功耗是活動功耗與靜態(tài)功耗之和。當(dāng)電路工作或邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生活動功耗，未發(fā)生轉(zhuǎn)換時晶體管漏電流會造成靜態(tài)功耗：
式中C為電容，fc為開關(guān)頻率，Vdd為電源電壓，IQ為漏電流。C·Vdd·fc為活動功耗；VddIQ為靜態(tài)功耗。在操作系統(tǒng)級的電源管理設(shè)計實現(xiàn)中，重點是活動功耗。從中可以得出幾種管理活動功耗的方法：
①電壓／時鐘調(diào)節(jié)。通過降低電壓和時鐘來減少活動功耗和靜態(tài)功耗。
②時鐘選通。停止電路時鐘，即設(shè)fc為O，讓Pactive為0。將時鐘從不用的電路模塊斷開，減少活動功耗。許多CPU都有“閑置”或“停止”指令，一些處理器還可通過門控關(guān)閉非CPU時鐘模塊，如高速緩存、DMA外設(shè)等。
③電源供應(yīng)選通。斷開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。
斷開不使用的模塊的時鐘和電源供應(yīng)可以減少電源消耗，但要能夠正確預(yù)測硬件模塊的空閑時期。因為重新使能硬件模塊時鐘和電源會造成一定延遲，不正確的預(yù)測將導(dǎo)致性能下降。
從式(1)可以看出：降低電壓對功耗的貢獻(xiàn)是2次方的；降低時鐘也可降低功耗，但它同時也降低性能，延長同一任務(wù)的執(zhí)行時間。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鐘頻率，在時鐘頻率和各種系統(tǒng)部件運行電壓要求范圍內(nèi)，設(shè)定最低的電源電壓，將會大量減少系統(tǒng)功耗。上例中完成任務(wù)所需的能量可以節(jié)約75％。
2 硬件平臺對動態(tài)電源管理的支持
通過調(diào)節(jié)電壓、頻率來減少系統(tǒng)活動功耗需要硬件支持。SoC系統(tǒng)一般有多個執(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高頻時鐘主要由PLL提供，同時PLL也為外圍模塊和SoC總線提供其他頻率時鐘。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RTC時鐘、RTC定時器和中斷控制單元。其中中斷控制單元使RTC定時器和外部設(shè)備能夠喚醒掛起的SoC系統(tǒng)。下面以一個廣泛用于手持設(shè)備的TI0MAPl610處理器為例。
①時鐘模塊。OMAPl610提供一個數(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輸出時鐘，輔以設(shè)置時鐘復(fù)用寄存器(MUX)和時鐘控制寄存器ARM_CKCTL，就能控制MPU和DSP的運行頻率，MPU、DSP外設(shè)時鐘，以及LCD刷新時鐘，TC_CK時鐘(Trafflc Control Clock)等。
②電源管理模塊。OMAPl610集成一個超低功耗控制模塊(ULPD)，用以控制OMAP3．2時鐘和控制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、管理運行模式。
3 嵌入式Linux動態(tài)電源管理軟件實現(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，特別是移動手持設(shè)備；因此，設(shè)計高效、精細(xì)的電源管理技術(shù)是嵌入式Linux開發(fā)成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。
3.1動態(tài)電源管理實現(xiàn)原理
系統(tǒng)運行在常見的幾種不同狀態(tài)，有不同電源級別要求，其中蘊涵著豐富的節(jié)能機會。狀態(tài)轉(zhuǎn)化如圖1所示。
①系統(tǒng)運行在任務(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)要求不同的電源級別，例如播放MP3可以降低處理器的頻率，而運行在線互動游戲時則要求處理器全速運行，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或者其他存儲器中，關(guān)閉外設(shè)，實現(xiàn)最大限度地省電。通過特定事件(例如定義UART中斷)要求系統(tǒng)退出睡眠模式。
綜上所述，可以把動態(tài)電源管理分為平臺掛起／恢復(fù)、設(shè)備電源管理以及平臺動態(tài)管理等三類。平臺掛起／恢復(fù)目標(biāo)在于管理較大的、非常見的重大電源狀態(tài)改變，用于減少產(chǎn)品設(shè)備在長時間的空閑之后，減少電源消耗。設(shè)備電源管理用于關(guān)斷／恢復(fù)平臺中的設(shè)備(平臺掛起／恢復(fù)以及動態(tài)管理中均要用到)；而平臺動態(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；后者對功率敏感，在被調(diào)度時(參見圖1)可以通過DPM來設(shè)置其電源管理狀態(tài)，要求運行在不同的電源級別。本文重點描述平臺動態(tài)電源管理和設(shè)備電源管理兩類，并將設(shè)備電源管理視為動態(tài)電源管理的組成部分。
3.2平臺動態(tài)電源管理設(shè)計
在Linux架構(gòu)下實現(xiàn)電源管理內(nèi)核模塊需要實現(xiàn)一個應(yīng)用層和操作系統(tǒng)的接口，一個為多個硬件平臺提供通用電源管理邏輯控制框架的硬件無關(guān)層，以及一個管理特定硬件電源控制接口的平臺相關(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、管理類、管理策略等組成。
①用電源管理操作點對應(yīng)平臺硬件相關(guān)參數(shù)。例如，TIOMAPl610參考開發(fā)板有多個參數(shù)：CPU電壓、DPLL頻率控制(通過倍頻器和分頻器兩個參數(shù))、CPU頻率控制、TC交通控制器、外部設(shè)備控制、DSP運行頻率、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(所以它運行在192 MHz)“2”表示TC(交通控制器)分頻為2(所以它運行在96 MHz)．
②類：多個操作點組成一個管理類。
③策略：多個或一個類組成策略。
一般可以簡化系統(tǒng)模型，直接將DPM策略映射到一個系統(tǒng)操作狀態(tài)下特定的DPM操作點，如表2所列。復(fù)雜點系統(tǒng)可以考慮將DPM策略映射到一個多操作點的DPM管理類，再根據(jù)操作狀態(tài)切換時選擇管理類中滿足約束的第一個操作點。
表2中策略映射到四個操作點，分別對應(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)運行在DPM-TASK-STATE狀態(tài)，對應(yīng)表2中task狀態(tài)，其操作點為192 MHz-1．5 V。
通過這種結(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，為任務(wù)間精細(xì)電源管理提供一個框架。
3.2.2內(nèi)核功能實現(xiàn)
如圖2所示，DPM軟件實現(xiàn)可以分為應(yīng)用層、內(nèi)核層、硬件設(shè)備等幾個部分。其中內(nèi)核層又可以分為接口層，硬件無關(guān)層和內(nèi)核硬件相關(guān)層(圖2中虛線部分)，可以分為以下幾個方面來描述。
第一，用戶層可以通過內(nèi)核提供的sysfs文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動模型(LDM)接口來進(jìn)行電源管理。DPM實現(xiàn)還提供Proc接口來實現(xiàn)電源管理的命令；也可以通過增加系統(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)核硬件無關(guān)層提供電源管理邏輯控制框架。電源管理引擎主要實現(xiàn)API調(diào)用，選擇操作點，提供操作點設(shè)置的同步和異步邏輯等。
設(shè)備電源管理模塊還實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動約束，通過LDM接口管理設(shè)備時鐘和電源，提供掛起和恢復(fù)控制。 設(shè)備時鐘電源關(guān)層主要對應(yīng)系統(tǒng)的各種總線和設(shè)備時鐘電源參數(shù)管理。
3.2.3 設(shè)備電源管理和驅(qū)動約束
DPM通過LDM可以對設(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)動約束。需要在設(shè)備初始化時使用注冊函數(shù)向相應(yīng)系統(tǒng)總線注冊該設(shè)備。例如，簡化后12C的LDM相關(guān)參數(shù)為：
I2C驅(qū)動注冊到MPU公有TI外圍總線：driver_reg-ister(&omap_i2c_driver)platform_device_register(&omap_i2c_device)。在驅(qū)動程序中實現(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，所有注冊到系統(tǒng)的設(shè)備在sysfs中都有一個管理接口。通過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)時需掛起該設(shè)備等等。其中DPM中管理設(shè)備電源狀態(tài)時還提供設(shè)備驅(qū)動約束檢查(頻率相關(guān))。例如，當(dāng)系統(tǒng)電源狀態(tài)改變，準(zhǔn)備運行在新的操作點時，驅(qū)動約束檢查該狀態(tài)是否滿足設(shè)備正常運行。如果不滿足，且當(dāng)前操作點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)動中實現(xiàn)的調(diào)節(jié)函數(shù)轉(zhuǎn)到新狀態(tài)。
驅(qū)動約束還用于限制DPM操作方式。當(dāng)沒有設(shè)備被使用時，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)通過內(nèi)核模塊的方式實現(xiàn)任務(wù)級別電源管理、實現(xiàn)了有效的設(shè)備電源管理，滿足了嵌入式Linux的需求，補充了基于桌面系統(tǒng)APM和APCI電源管理技術(shù)的不足。實踐證明，DPM對嵌入式系統(tǒng)，尤其是移動終端，能夠起到很好的節(jié)能效果。
當(dāng)然，動態(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)測電源狀態(tài)，從而設(shè)計出更智能、更有效的狀態(tài)切換管理策略；②電源管理和實時性能要求之間的復(fù)雜關(guān)系還需處理等等。
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