嵌入式系統(tǒng)電源管理軟件比較(下)

　　嵌入式Linux

　　嵌入式Linux電源管理結(jié)構(gòu)

　　Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)電源管理有ACPI、APM等機(jī)制。這些機(jī)制依賴于PC機(jī)的BIOS功能實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)一般都沒有實(shí)現(xiàn)BIOS支持，對(duì)其能耗管理機(jī)制需要進(jìn)行其他定義。消費(fèi)類電子產(chǎn)品聯(lián)盟—CELF對(duì)能耗管理作了定義，其框架如圖4所示。

圖4 CELF電源管理規(guī)范

　　CELF的能耗管理框架分為內(nèi)核層和用戶層。內(nèi)核層又劃分為體系結(jié)構(gòu)無關(guān)層和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層主要提供可管理硬件支持，例如處理器電壓和運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)，各種總線運(yùn)行頻率管理，設(shè)備的關(guān)斷管理等。內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)無關(guān)層在體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層的基礎(chǔ)上為用戶層提供APIs，進(jìn)行各種能耗管理功能的支持。它包含一個(gè)能耗管理(PM)引擎，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)負(fù)載選擇系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài);提供能耗管理的掛起和恢復(fù)方法;提供VST技術(shù)，通過估計(jì)下次準(zhǔn)確喚醒時(shí)間來確保在進(jìn)入深度睡眠時(shí)，不被原來固定時(shí)間產(chǎn)生的定時(shí)器中斷喚醒;還包含了各種外部設(shè)備關(guān)閉/開啟的操作邏輯。

　　用戶通過編制具有一定智能的管理策略駐留程序，利用系統(tǒng)提供的能耗管理機(jī)制，進(jìn)行有效的系統(tǒng)能耗管理。

　　此外，在某些實(shí)現(xiàn)中，也可以將ACPI中的BIOS調(diào)用進(jìn)行映射，在內(nèi)核用軟件實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)，用以支持沒有BIOS的電源管理。

　　嵌入式Linux內(nèi)核電源管理實(shí)現(xiàn)分析

　　2.6內(nèi)核提供了一個(gè)電源管理框架，在其基礎(chǔ)之上容易實(shí)現(xiàn)各種電源管理規(guī)范，例如ACPI和APM規(guī)范。2.6內(nèi)核中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型(Linux Driver Model，LDM)是內(nèi)核對(duì)電源管理基礎(chǔ)支持。Kobject基本結(jié)構(gòu)嵌入到描述設(shè)備模型的組件的bus、devices、 drivers結(jié)構(gòu)中。這些容器就是通過kobject連接起來形成樹狀結(jié)構(gòu)。每個(gè)對(duì)象的屬性(attribute)以文件形式輸出到kobject對(duì)應(yīng)的sysfs目錄下。通過這種文件系統(tǒng)接口，可以對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效的電源管理。

　　就嵌入式系統(tǒng)而言，電源管理可以分為靜態(tài)電源管理，動(dòng)態(tài)電源管理，設(shè)備電源管理等三個(gè)方面。

　　·靜態(tài)電源管理

　　Linux內(nèi)核支持ON, Standby, Suspend, 和Hibernate四種電源狀態(tài)。Standby指“帶電掛起”，通過將CPU置于halt狀態(tài)，將設(shè)備置于D1狀態(tài)來達(dá)到節(jié)能的目的(ACPI規(guī)范中按能耗從高到低分D0~D3)。節(jié)能效果不明顯，但是響應(yīng)延遲最小。Suspend就是掛起到RAM。在該狀態(tài)下，所有設(shè)備被置于D3狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)，除主存處于節(jié)電的自刷新模式(self-refresh)外，全部關(guān)閉電源。響應(yīng)延遲比Standby大。Hibernate 是通過將系統(tǒng)狀態(tài)保存到非易揮發(fā)性存儲(chǔ)中(通常是磁盤)，關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的電源。延遲時(shí)間最長(zhǎng)，但比一次完整啟動(dòng)來得短。通常情況下嵌入式設(shè)備都沒有支持這種方式。

　　通過sysfs文件系統(tǒng)接口觸發(fā)系統(tǒng)級(jí)電源狀態(tài)轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)換管理是通過注冊(cè)好的驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行。例如，prepare函數(shù)確認(rèn)系統(tǒng)能夠進(jìn)入所請(qǐng)求的狀態(tài)，并且進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。例如通過禁止搶占和“冷凍”所有進(jìn)程來準(zhǔn)備進(jìn)入所請(qǐng)求的電源狀態(tài)。Save函數(shù)枚舉所有注冊(cè)有電源管理能力的設(shè)備，保存系統(tǒng)和處理器的低層狀態(tài)。接著PM核心禁止了中斷，關(guān)閉外部設(shè)備電源，調(diào)用Sleep函數(shù)根據(jù)掛起級(jí)別進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在嵌入式設(shè)備掛起過程中可以通過寫入某些特殊的非易失性處理器寄存器來記錄掛起的原因和掛起時(shí)的代碼執(zhí)行地址。系統(tǒng)上電后引導(dǎo)程序先執(zhí)行，從特殊寄存器中判斷系統(tǒng)是否從深度睡眠(Hibernation)中恢復(fù)。如果是，則負(fù)責(zé)從非易揮發(fā)性存儲(chǔ)介質(zhì)中恢復(fù)所有的硬件上下文。如果不是，系統(tǒng)負(fù)責(zé)從sleep()函數(shù)處返回。給所有設(shè)備上電，恢復(fù)中斷。Restore函數(shù)被用來恢復(fù)系統(tǒng)的低層調(diào)用，恢復(fù)設(shè)備上下文。Cleanup函數(shù)從sleep狀態(tài)恢復(fù)必須進(jìn)行的清尾工作，例如搶占重新被允許，系統(tǒng)恢復(fù)正常執(zhí)行。當(dāng)一次完整的轉(zhuǎn)換完成后，CPU執(zhí)行權(quán)還給之前執(zhí)行的進(jìn)程。

　　·動(dòng)態(tài)電源管理

　　(1)動(dòng)態(tài)電源管理原理

　　如圖5所示，系統(tǒng)無任務(wù)時(shí)進(jìn)入空閑，可被中斷喚醒，處理完后重新進(jìn)入空閑或者回到任務(wù)態(tài)。如果系統(tǒng)被掛起到RAM中，進(jìn)入深度睡眠?？梢躁P(guān)閉除了中斷控制器和喚醒源之外的所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)最大限度地省電。根據(jù)運(yùn)行時(shí)不同的任務(wù)負(fù)載，系統(tǒng)應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的不同電源級(jí)別。如圖示中的任務(wù)、任務(wù)-、任務(wù)+等代表電源需求的狀態(tài)。在完成任務(wù)的同時(shí)，進(jìn)行最大化的節(jié)能。

圖5  操作狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換

　　(2)動(dòng)態(tài)電源管理設(shè)計(jì)

　　在Linux架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理，需要(1)用戶層的管理策略;(2)內(nèi)核模塊需要為應(yīng)用層提供的接口;(3)硬件無關(guān)的通用電源管理邏輯控制框架;(4)管理特定硬件的平臺(tái)相關(guān)電源控制層。

　　用戶層策略通過sysfs文件系統(tǒng)接口(或proc文件系統(tǒng)接口)以及系統(tǒng)調(diào)用接口(APIs)來進(jìn)行電源管理。內(nèi)核硬件無關(guān)層提供電源管理邏輯控制，針對(duì)任務(wù)負(fù)載情況選擇反映當(dāng)前任務(wù)電源狀態(tài)的電源操作點(diǎn)(相關(guān)可控的硬件參數(shù))。內(nèi)核硬件相關(guān)層主要對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的各種總線和設(shè)備時(shí)鐘電源參數(shù)管理，并管理多種設(shè)備的參數(shù)約束。

　　·設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源管理

　　在某些設(shè)備閑置時(shí)可以被主動(dòng)關(guān)閉，從而節(jié)電。在2.6內(nèi)核中需要實(shí)現(xiàn)總線以及設(shè)備的電源管理支持，在驅(qū)動(dòng)中需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的suspend/resume函數(shù)。

　　關(guān)閉一個(gè)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)的suspend方法需要兩個(gè)不同的調(diào)用，一個(gè)用來保存狀，另外一個(gè)用來關(guān)閉設(shè)備電源。相反，resume方法需要一個(gè)調(diào)用用來給設(shè)備供電，另一個(gè)調(diào)用來恢復(fù)設(shè)備的狀態(tài)。在關(guān)閉一個(gè)總線設(shè)備時(shí)必須關(guān)閉所有的下一級(jí)子設(shè)備。相反地，重新使能總線設(shè)備時(shí)，必須先使能根設(shè)備，然后再使能子設(shè)備。

　　·用戶層電源管理策略

　　嵌入式系統(tǒng)如何做到有效的平臺(tái)級(jí)能耗管理需要在內(nèi)核提供的機(jī)制上實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能化的管理軟件，監(jiān)控系統(tǒng)電源狀態(tài)，處理相應(yīng)電源事件，執(zhí)行針對(duì)特定應(yīng)用制定的管理策略?，F(xiàn)有的Linux ACPI和APM的后臺(tái)駐留進(jìn)程，可以供嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參考。商業(yè)的嵌入式linux 公司MontaVista 在其Moblinux 4.0以后的版本也提供一個(gè)用戶態(tài)的電源管理策略和界面。

　　嵌入式操作系統(tǒng)電源管理實(shí)現(xiàn)比較

　　嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，主要可以分為核心層、接口層、應(yīng)用策略管理層。核心層需要提供一個(gè)體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的電源管理框架，感知系統(tǒng)負(fù)載，進(jìn)行系統(tǒng)電源狀態(tài)管理。核心層還需要一個(gè)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層，提供硬件相關(guān)的電源狀態(tài)管理，例如進(jìn)行電壓/頻率調(diào)節(jié)及相應(yīng)的約束管理。核心層還需要提供一個(gè)用戶編程接口，用戶層通過編程來利用系統(tǒng)提供的電源管理機(jī)制。并且根據(jù)不同的應(yīng)用需求編制智能化的管理策略。

　　在電源管理功能上大致可以分為(1)系統(tǒng)級(jí)電源管理，(2)動(dòng)態(tài)電源管理，(3)設(shè)備電源管理等三類。操作系統(tǒng)檢查任務(wù)負(fù)載情況，如果沒有需要運(yùn)行的任務(wù)，則一般進(jìn)入空閑等節(jié)能狀態(tài)，等待喚醒。可以在空閑一段時(shí)間后進(jìn)入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。在運(yùn)行任務(wù)期間，操作系統(tǒng)還可以利用硬件提供的電源管理功能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片運(yùn)行電壓和頻率，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加細(xì)致的電源管理。操作系統(tǒng)還應(yīng)該能夠管理閑置的設(shè)備，關(guān)閉設(shè)備并提供恢復(fù)手段。

　　上面我們分析的三種典型的嵌入式操作系統(tǒng)在電源管理方面是各有特色;TinyOS 簡(jiǎn)練小巧有基本的內(nèi)核態(tài)和系統(tǒng)級(jí)的電源管理功能，但是相對(duì)比較簡(jiǎn)單;WindowsCE電源管理模塊結(jié)構(gòu)清楚，特別有提供了應(yīng)用程序的接口，但是到目前看到的為止Windows CE/Mobile 開放給用戶的電源管理功能還待提升;Linux 是開源代碼，具有豐富的硬件電源管理支持，策略和動(dòng)態(tài)的電源管理功能，但是相當(dāng)實(shí)現(xiàn)的零散和分散，應(yīng)用軟件的接口不清晰和標(biāo)準(zhǔn)，需要用戶作的工作比較多。

　　總結(jié)和展望

　　消費(fèi)類電子如近年流行的智能手機(jī)、GPS、移動(dòng)電視都迫切需要高效的電源管理，傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要電源管理，以便大規(guī)模部署，全球變暖等國際性的問題也對(duì)電子產(chǎn)業(yè)節(jié)能和環(huán)保提出了更高的要求?，F(xiàn)有的能源管理技術(shù)中還有許多問題有待于研究和解決，例如，(1)設(shè)計(jì)更加節(jié)能的芯片，減少系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，半導(dǎo)體制造工藝的改進(jìn)，在芯片級(jí)別進(jìn)行更好性能監(jiān)測(cè)，通過設(shè)計(jì)優(yōu)良的負(fù)載預(yù)測(cè)算法，在系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)能耗級(jí)別進(jìn)行更加精細(xì)調(diào)節(jié)。(2)在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)上需要規(guī)范定義一個(gè)適合應(yīng)用體系的框架結(jié)構(gòu)，比如Intel 發(fā)起的PPM(power police mangment) 和APM(application power management)就是一個(gè)基于Linux 的開源項(xiàng)目，它推動(dòng)著一個(gè)系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用相關(guān)的電源管理軟件系統(tǒng)。(3)在網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)中，如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化能耗管理，在通訊過程中達(dá)到能耗最小化，例如研究能耗感知的路由算法，選擇一個(gè)最節(jié)能路徑，避免不必要的喚醒與睡眠。(4)電源管理的QoS，一個(gè)旨在更好的管理硬件系統(tǒng)，以達(dá)到性能和功耗平衡的系統(tǒng)。比如CPU的空閑管理，能耗高的Wi-Fi和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理等。(5)電源管理的測(cè)試和分析工具。總之，電源管理技術(shù)是一個(gè)結(jié)合微電子、集成電路、嵌入式系統(tǒng)和軟件的綜合學(xué)科，是一個(gè)正在快速發(fā)展的研究課題。它對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵性影響，一個(gè)電源管理設(shè)計(jì)的好產(chǎn)品可以幫助產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，克敵制勝。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　2. 趙永超，Cortex-M3處理器在超低功耗應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)策略，ARM Technical Symposiums, 2007

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