Linux下的動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)技術(shù)分析

在手持設(shè)備設(shè)計(jì)中，電源管理歷來(lái)為重要的研究課題之一。我們?nèi)粘Ｋf(shuō)的省電就屬于電源管理的范疇，這也是我們最關(guān)心的一個(gè)部分。通過(guò)掛起不必要的設(shè)備、降低CPU的頻率或者其它方法，可以減少能量的消耗，達(dá)到省電的目的。電源管理實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)工程，從應(yīng)用程序到內(nèi)核框架，再到設(shè)備驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備，都要參與進(jìn)來(lái)，才能達(dá)到電源管理的最優(yōu)化。本文介紹一下動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)。
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所謂的動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)是一種電源管理機(jī)制，它允許在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)的管理電源，這可能是相對(duì)于傳統(tǒng)的電源管理方式而言的，傳統(tǒng)的電源管理方式要求系統(tǒng)要么掛起（suspend）以節(jié)省能源，要么恢復(fù)(resume)運(yùn)行讓程序正常工作，這個(gè)過(guò)程通常要用戶(hù)參與(如按鍵)，而且這種狀態(tài)切換非常緩慢。在動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)中，系統(tǒng)一方面可以關(guān)閉暫時(shí)不使用的設(shè)備，比如關(guān)閉硬盤(pán)和顯示器。另外一方面也可以根據(jù)負(fù)載的重輕，動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU和總線(xiàn)的頻率，以達(dá)到節(jié)省能源的目的。這都是動(dòng)態(tài)完成的，不需要用戶(hù)的干預(yù)，而且狀態(tài)之間的切換非?？?每秒數(shù)百次)。
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動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)是很一個(gè)廣泛的概念，很多系統(tǒng)實(shí)際上都采用了動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)方式，本文要談的是Linux下的動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)。Linux很早就采用了動(dòng)態(tài)電源管理，在driver目錄下有個(gè)cpufreq的驅(qū)動(dòng)程序，它就是用來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU頻率以降低能源消耗的。
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不過(guò)cpufreq似乎不能用于嵌入式環(huán)境，主要原因是：在嵌入式系統(tǒng)中，與LCD顯示屏等外設(shè)相比，CPU已經(jīng)不是能源消耗的大戶(hù)了，光調(diào)整CPU的頻率用處不大。而且cpufreq還依賴(lài)于像ACPI等PC環(huán)境，而嵌入式設(shè)備一般都沒(méi)有BIOS，電源管理功能只能完全由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。cpufreq的實(shí)現(xiàn)目前還不太清楚，我們會(huì)在后續(xù)的文章中繼續(xù)研究。
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就目前掌握的資料來(lái)看，用嵌入式Linux系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電源管理只有IBM奧斯汀實(shí)驗(yàn)室和MontaVista聯(lián)合開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)（http://dynamicpower.sourceforge.net/）。我們將對(duì)它的架構(gòu)做簡(jiǎn)要分析，下面提到動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)實(shí)際上是特指這個(gè)解決方案及其實(shí)現(xiàn)。
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我們先介紹幾個(gè)重要概念：
1.?????????operating point:?它實(shí)際上就是電源管理的一組配置數(shù)據(jù)，這組配置數(shù)據(jù)一旦確定，能源消耗率和系統(tǒng)性能也就確定了。比如:

上圖有三個(gè)operating point，第一個(gè)operating point的名稱(chēng)為”33/33”，它的配置為:Core Voltage=1.0v、PLL VCO = 800MHz等如表格第二列里的數(shù)據(jù)所示。
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2.?????????operating state:?它實(shí)際上就是系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，比如工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)。不過(guò)在dynamicpower中，狀態(tài)可以有很多種。同是工作狀態(tài)，有高性能工作狀態(tài)、中等性能工作狀態(tài)和低性能工作狀態(tài)等，甚至更多，根據(jù)具體的情況而定。
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3.?????????policy:?它是電源管理的一個(gè)高級(jí)抽象。它負(fù)責(zé)把operating state映射到一個(gè)或者一組(class) operating point上。系統(tǒng)中可以有多個(gè)policy，但只一個(gè)policy處理激活狀態(tài)。
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4.?????????class:?代表一組operating point，在狀態(tài)切換時(shí)，policy選取其中第一個(gè)滿(mǎn)足約束條件的operating point作為有效operating point。
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5.?????????constraint：它指設(shè)備的約束條件，即只有在滿(mǎn)足約束條件下，設(shè)備才能正常工作，比如LCD要一定總線(xiàn)頻率才能正常更新屏幕。在狀態(tài)切換時(shí)，如果下一狀態(tài)對(duì)應(yīng)的operating point不滿(mǎn)足設(shè)備的約束條件，有兩種選擇：要么強(qiáng)制關(guān)閉設(shè)備，要么狀態(tài)切換失敗，根據(jù)設(shè)置而定。
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dynamicpower可以認(rèn)為是一種典型的按照機(jī)制與策略分開(kāi)的模式設(shè)計(jì)的，它只實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)電源管理這種機(jī)制，而所有策略完全由用戶(hù)空間的應(yīng)用程序去做實(shí)現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)它分為三個(gè)層次：
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1.?????????API函數(shù)庫(kù)。這一部分主要是對(duì)內(nèi)核提供的sysfs和proc文件進(jìn)行封裝，提供更好用的接口函數(shù)。它提供的函數(shù)如下：

如果明白了policy、operating state和operating point等基本概念，上述函數(shù)不難理解：首先要?jiǎng)?chuàng)建一些operating point，即各種電源管理配置;?然后把這些operating point組合成class，接下來(lái)在operating state和class/operating point之間建立映射關(guān)系，這是初始化過(guò)程要做的。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，dpm會(huì)自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ剑绻卸喾Npolicy，應(yīng)用程序也可以激活適當(dāng)?shù)膒olicy。
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2.?????????內(nèi)核框架代碼。它的主要功能包括對(duì)policy的管理，各種狀態(tài)的切換等平臺(tái)無(wú)關(guān)的操作，同時(shí)還提供了一些sysfs和proc文件用來(lái)和用戶(hù)空間的應(yīng)用程序交互。它一部分的代碼主要分布在下列文件中：

其中drivers/dpm/dpm.c和dpm-idle.c是核心代碼，dpm-ui.c和proc.c主要是用于與用戶(hù)空間應(yīng)用程序交互的，其它代碼則是用于與系統(tǒng)其它部分協(xié)調(diào)工作的。這一層代碼不算太復(fù)雜，其中最重要的部分是狀態(tài)切換，其主要過(guò)程如下：

要了解這一層的代碼，先要熟讀平臺(tái)datasheet相關(guān)的章節(jié)，這里不再多說(shuō)。
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