伴隨著移動嵌入式產品的普及，電源管理已經成為重要技術指標和產品的有機組成。典型移動嵌入式設備對能耗越來越敏感，電源管理技術正成為產品設計的關鍵所在。為了應對電源管理面臨的挑戰(zhàn)，如何設計出高效的嵌入式系統(tǒng)的電源管理已成為研究熱點。
典型移動嵌入式系統(tǒng)能耗主要部件包括嵌入式微處理器CPU、內存、LCD及背光、電源轉換部件、DSP、外設控制器等。在這些元件中，有些元件能耗固定，有些元件可在不同時間段工作并有多種可控的耗能狀態(tài)，后者的有效使用成為嵌入式系統(tǒng)節(jié)能的關鍵所在。
1.什么是WinCE電源管理
(1)電源管理概念與方法
在電池供電的移動嵌入式系統(tǒng)中，一般采用高效率的電源芯片用于供電管理，或采用大容量的電池以解決能耗需求，但這兩種技術的發(fā)展還無法滿足移動嵌入式設備的動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。有一種方法可以協(xié)調高性能與低功耗之間的矛盾，就是根據(jù)系統(tǒng)負載進行性能調節(jié),通過停止某些模塊的時鐘和電源供應將能耗降至最低。
嵌入式系統(tǒng)按功率消耗由小到大分為睡眠(sleep)、空閑(idle)、運行(Run)等模式。大多時間內，在運行態(tài)(Run)時設備全部正常工作，而在睡眠與空閑模式時處理器則可以按照特定的模式進行相應的節(jié)能。因此，電源管理的目的是節(jié)能，基本節(jié)能方法是使系統(tǒng)適時的進出休眠狀態(tài)。在節(jié)能狀態(tài)下處理器掛起，主存儲器運行在節(jié)能的自刷新模式，只有功耗管理電路、喚醒電路繼續(xù)工作。比如用戶按下On/Off按鈕,或者監(jiān)視用戶活動的定時器超時,或者應用程序API都可以使得嵌入式系統(tǒng)休眠,當用戶再次按下On/Off或者有其他喚醒中斷發(fā)生時，系統(tǒng)就會退出休眠。因此，電源管理模塊和用戶活動情況密不可分,電源管理是用戶活動所驅動的。
WinCE處理用戶與系統(tǒng)交互的部分是GWES,所以早期電源管理工作也是由GWES來實現(xiàn)。但GWES提供的電源管理模塊功能過于粗糙死板，所有子設備只能有On和Suspend狀態(tài),應用程序無法得到任何狀態(tài)轉換通知。后來，WinCE引入了電源管理PM(Power Manager)模塊，用以替代GWES中的電源管理功能，新的電源管理模塊提供更完整和靈活的功能,如子設備電源狀態(tài)可以單獨設定,應用可以獲得電源通知等。因此，電源管理器負責管理設備電源，并且與不支持電源管理功能的設備和應用兼容，在內核OAL層、設備驅動程序和應用程序之間充當中間人角色。
(2)電源管理器結構
在使用電池供電的WinCE系統(tǒng)中，正確設計電源管理十分關鍵。在功能上大致可以分為系統(tǒng)級電源管理、動態(tài)電源管理、設備電源管理等三類。通常，應用程序在大多數(shù)時間都不需要關注WinCE 設備的電源損耗，但是在某些時候要注意這些損耗。WinCE電源管理器通過一個名為Pm.dll的動態(tài)鏈接庫與設備管理器Device.exe鏈接。Pm.dll動態(tài)鏈接庫支持三類接口：一是驅動程序接口：為需要進行電源管理的設備的驅動程序使用;二是應用程序接口：為需要利用電源管理的應用程序使用;三是提醒接口(Notification)：為需要接受電源事件提醒的應用程序使用。
例如，WinCE系統(tǒng)先檢查任務負載情況，如果沒有需要運行的任務，則一般進入空閑節(jié)能狀態(tài)等待喚醒，在空閑一段時間后進入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。在運行任務期間，WinCE還可以利用硬件提供的電源管理功能動態(tài)調節(jié)芯片運行電壓和頻率，對系統(tǒng)進行更加細致的電源管理。
2.WinCE電源管理的分類
(1)系統(tǒng)電源狀態(tài)
Win CE系統(tǒng)電源狀態(tài)更多的是代表系統(tǒng)電源的一種配置方案,它是各個子設備電源配置的集合。它設定一種可能出現(xiàn)的情景,事先擬定了此情景下電力分配策略(哪些子設備打開,哪些子設備關閉)。WinCE支持以下幾種電源狀態(tài)：①ON狀態(tài)，用戶在主動使用設備。②UserIdle狀態(tài)，用戶與設備停止交互，但仍有可能使用設備。③SystemIdle狀態(tài)，在經過一段時間的UserIdle后進入此狀態(tài)，但是驅動和系統(tǒng)仍然活動。④Suspend狀態(tài)，當驅動程序和系統(tǒng)進程不再與系統(tǒng)交互時進入此狀態(tài)。⑤ColdReboot和Reboot狀態(tài)，冷啟動后系統(tǒng)電源狀態(tài)。
因此，在這個基礎上技術人員可以根據(jù)自己的平臺特點,增加新的策略來滿足不同移動嵌入式產品的需要。常見的做法是設計一個電源按鍵的流驅動,當檢測到按鍵時候呼叫API將系統(tǒng)電源轉換到Suspend，如On/Off按鍵。還有就是加入背燈控制，比如在On狀態(tài)下請求顯示驅動打開背燈,在UserIdle和SystemIdle狀態(tài)下請求顯示驅動關閉背燈。
(2)設備電源管理
WinCE加入了高級的電源管理組件功能，它允許每個外設具有自己的電源狀態(tài)，這有別于一般的系統(tǒng)電源狀態(tài)(System Power State)，故被稱作設備電源狀態(tài)(Device Power State)?，F(xiàn)在的應用程序一般都有能力設置個別外設的電源狀態(tài)，比如一個文件傳輸程序，在保持串口或者藍牙端口正常通訊時，可以關閉顯示屏幕和背光，這就為實現(xiàn)更高級別的動態(tài)電源管理提供了可能。
電源管理器和支持電源管理的設備之間的交互包括兩種機制：一是電源管理器到驅動程序，電源管理器使用DeviceIoControl()函數(shù)向設備驅動程序發(fā)送I/O控制(IOCTLs)，因此設備必須能響應電源管理器的查詢、狀態(tài)設置等IOCTLs。二是驅動程序到電源管理器，驅動程序使用DevicePower Notify()函數(shù)與電源管理器交互，例如請求電源管理器把它的設備置于某種狀態(tài)，如果電源管理器接受該請求則通過發(fā)送IOCTL_POWER_SET等IOCTLS來進行設置。
(3)應用程序與電源管理器交互
Win CE應用程序與電源管理器有兩種交互機制：一是應用程序接口，用以獲取當前系統(tǒng)和設備的電源狀態(tài)。應用程序通過SetSystemPowerState()來設置系統(tǒng)電源狀態(tài),通過SetDevicePower來設置子設備電源狀態(tài),通過SetPowerRequirement通知電源管理器將子設備設置在特殊電源狀態(tài)下,不隨系統(tǒng)電源改變。二是電源事件提醒接口。為了實現(xiàn)提醒接口，應用程序還可通過CreateMsgqueue()函數(shù)建立消息隊列，將其句柄傳給電源管理器，電源管理器再把提醒發(fā)送到消息隊列中，調用者可選擇可用提醒的一個子集進行響應。
(4)OAL層電源管理的實現(xiàn)
OEM Adaptation Layer(OAL)是一層與硬件平臺相關的代碼，它在電源狀態(tài)轉換中扮演著重要的角色。在WinCE中，OAL層電源管理通過OEMIdle()和OEMPowerOff()函數(shù)實現(xiàn)。其中OEMInit是初次上電時(或在冷啟后)被調用，如初始化系統(tǒng)內存，建立調試環(huán)境，設置系統(tǒng)中斷等;當系統(tǒng)中沒有任何可調度的線程時，內核就調用OEMIdle()以實現(xiàn)降低處理器的頻率來達到省電目的，這個函數(shù)在BSP中可以由OEM修改定制。
當有外部中斷時，CPU可從其中恢復，如當用戶按下OFF按鈕或者應用調用API進入suspend狀態(tài)時候,內核會調用OEMPowerOff()函數(shù)，在系統(tǒng)喚醒后繼續(xù)從OEMPowerOff()被掛起處執(zhí)行。OEMPowerOff函數(shù)是基于硬件平臺來實現(xiàn)的，它能進行CPU寄存器保存、設置及喚醒恢復等功能。系統(tǒng)Idle狀態(tài)和前面說的UserIdle狀態(tài)是不同概念,前者是CPU負荷情況驅動,代表系統(tǒng)空閑;后者是用戶活動驅動,代表用戶空閑。
2.從應用程序交互分析電源管理狀態(tài)
當WinCE 系統(tǒng)被掛起，為了省電用戶需要關閉處理器及大部分設備供電，然后在需要喚醒時再通過定時器或無線模塊喚醒。一般來說，被喚醒后系統(tǒng)會返回到與系統(tǒng)掛起前一樣的狀態(tài)，因此應用程序根本不知道系統(tǒng)曾被掛起，除非它明確地請求當系統(tǒng)掛起時通知它。因此從應用程序的角度看，電源管理有三種方式：查詢電源狀態(tài)、改變電源狀態(tài)和防止電源狀態(tài)改變。
(1)查詢電源狀態(tài)
對嵌入式系統(tǒng)來說，OEM廠商定義了系統(tǒng)的電源狀態(tài)。例如，電源狀態(tài)可能是打開(On)，空閑(Idle)和掛起(Suspend)，還有ScreenOff、InCradle和 OnBattery等。從應用程序的觀點看，電源管理程序提供了通知電源狀態(tài)改變的能力以及通過一系列的函數(shù)統(tǒng)一改變電源狀態(tài)的能力。
因此，查詢系統(tǒng)當前的電源狀態(tài)是WinCE的一個重要功能，可以調用DWORD GetSystemPowerStatusEx2(PSYSTEM_POWER_STATUS_EX2，DWORD dwLen，BOOL fUpdate)來查詢。函數(shù)用三個參數(shù)來告訴WinCE系統(tǒng)查詢電池驅動最后的信息或者直接返回電池緩存中的信息，系統(tǒng)大約每5秒查詢一次電池狀態(tài)。又因為WinCE不驗證電池驅動返回的數(shù)據(jù)，因此不同的系統(tǒng)有不同的變化，這個函數(shù)返回來的數(shù)據(jù)是主要依賴于電池驅動。例如，許多系統(tǒng)在使用AC電源時不報告精確的電源級數(shù)，另一些系統(tǒng)則相反。
(2)改變電源狀態(tài)
應用程序能通過一系列的方式改變系統(tǒng)的電源狀態(tài)，在WinCE中首選的方式是使用電源管理程序。電源管理程序提供函數(shù)來允許應用程序來控制電源狀態(tài)，如應用程序通過調用函數(shù)SetSystemPowerState來請求特定的電源狀態(tài)。一般有兩個方式來控制電源，第一個方式是應用程序給定一個電源設定;第二個方式是應用程序請求電源狀態(tài)不要低于給定的級別。
常見的例如：①關閉電源，應用程序通過調用GwesPowerOffSystem函數(shù)掛起系統(tǒng)，如函數(shù)void GwesPowerOffSystem(void)的調用就會掛起系統(tǒng)。② 關閉屏幕，如果系統(tǒng)是有色背光顯示，那么主要的電源消耗不是CPU而是背光。在某一些環(huán)境下，一個應用程序運行時并不需要顯示在屏幕上。例如音樂播放器應用程序，當用戶聽音樂的時候不關注屏幕，在這些情形下關閉背光將意味著提高電池壽命。當然，當用戶想看屏幕時，任何關閉背光應用程序就需要一個簡單的方式來重新打開屏幕。顯示控制是通過Ext-Escape函數(shù)實現(xiàn)，這個函數(shù)允許應用程序打開或關閉顯示。另外，WinCE沒有一個統(tǒng)一的方式來控制背光的亮度，每個系統(tǒng)都有它自己的OEM特有方式來控制背光亮度。③打開系統(tǒng)電源，意思是說當被掛起的應用程序要再次運行時，必須要有一個方式來喚醒一個掛起的系統(tǒng)電源。方法可以是應用程序通過使用消息API(Notification API)把系統(tǒng)喚醒。在一般情況下，OEM廠商會分配一些中斷條件以便電源打開或喚醒。
(3)防止系統(tǒng)關閉電源
另一方面，防止系統(tǒng)掛起也是一個重要的問題。WinCE系統(tǒng)通常被設置為當一段時間沒有用戶輸入就自動掛起。因此，如果定時器到達預先的沒有用戶輸入的間隔，系統(tǒng)會自動掛起。當要防止自動掛起時，應用程序可以周期性地調用這個函數(shù)：void WINAPI SystemIdleTimerReset (void)，這個函數(shù)能重設WinCE用來監(jiān)視用戶輸入的定時器。所以當一個應用程序需要更改超時值時，就可以通過調用SystemIdleTimerReset把掛起超時值改變。一般來說，WinCE系統(tǒng)維護三個超時值，防止電源被自動掛起可以使用SystemParametersInfo來查詢這三個值，并在最短時間內返回調用SystemIdleTimerReset。如果超時值被設置為0，表示超時值被禁止。
(4)電源通知
最后，電源管理程序還有一個十分受歡迎的特點，就是可以在系統(tǒng)電源狀態(tài)改變時通知應用程序，這可以讓應用程序從手動檢測電源狀態(tài)中解脫出來。應用程序通過調用RequestPowerNotifications請求電源管理程序當電源狀態(tài)改變的時候，發(fā)送一個通知給應用程序，電源管理程序再通過一個由應用程序建立的消息隊列發(fā)送此通知。
總之，嵌入式電源管理在WinCE系統(tǒng)是一個快速發(fā)展的研究課題。它對移動嵌入式產品的設計具有關鍵性影響，一個高效的電源管理設計可以幫助移動嵌入式產品在市場競爭中脫穎而出，克敵制勝。
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