電源管理入門：驅(qū)動Runtime PM管理

Runtime PM管理也就是設備驅(qū)動里面的電源管理，即設備驅(qū)動結(jié)構(gòu)體里面的struct dev_pm_ops，只控制設備自己的電源。這樣可以在設備不需要工作的時候可以進入到低功耗狀態(tài)，更好的管理設備自己的電源，所謂：“各掃門前雪”。

為什么需要Runtime PM？

不同于系統(tǒng)的電源管理，設備自己的電源管理更加的細化。這就像一個層級關(guān)系，系統(tǒng)整體的是一個大的電源狀態(tài)管理，但是對于眾多的集成外國設備也不能一刀切，就是不能要干活都干活要休息都休息，要細化管理不能懶政，就對每個設備自己也來一套電源狀態(tài)管理，直接把機制從系統(tǒng)哪里復制過來一份一個閹割版的就夠用，采用分而治之的思想，只要系統(tǒng)要統(tǒng)一指揮的時候聽話就可以，其他時候可以自己決策執(zhí)行就是runtime PM管理。這里的設備有可能是外設，比如sensor、lcdc等。這里的設備也有可能是SOC內(nèi)部的某些IP，比如codec、dsp、usb等。

1. 框架介紹

1.1 為什么需要Runtime PM Framework?

系統(tǒng)基本的電源管理，例如關(guān)機休眠等，需要調(diào)用device的電源Runtime API就是ops回調(diào)函數(shù)，而且需要按一個順序的queue去實施，而且系統(tǒng)跟設備狀態(tài)發(fā)生沖突的時候也需要去處理，綜上就需要一個Framework去統(tǒng)一做這些事情

設備驅(qū)動需要根據(jù)系統(tǒng)的一些參數(shù)來決定自己的電源狀態(tài)，例如CPU是否idle等，就需要系統(tǒng)框架的支持

當設備處于低功耗模式時，wakeup signal常常需要platform或者bus的支持。

1.2 系統(tǒng)框架圖

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

image.png

關(guān)機舉例：

休眠舉例：

2. Drivers

Device drivers（包括bus、class、power domain）實現(xiàn)了runtime pm相關(guān)的runtime_idle/runtime_suspend/runtime_resume三個回調(diào)：

runtime_suspend用于實現(xiàn)設備的低功耗操作

runtime_resume用于實現(xiàn)設備的低功耗恢復相關(guān)的操作

runtime_idle屬于runtime_suspend的一個過渡，用于緩沖頻繁的suspend與resume，它會判斷設備是否具備suspend的條件，如果具備在合適的時機，就會suspend設備。

runtime_suspend與runtime_resume回調(diào)函數(shù)里會調(diào)用clock framework/reset framework/regulator framework提供的時鐘開關(guān)、復位、電源開關(guān)的接口。這里以SPI驅(qū)動為例進行說明：

subsys_initcall(pl022_init);

static int __init pl022_init(void)
{
        return amba_driver_register(&pl022_driver);
}

static struct amba_driver pl022_driver = {
        .drv = {
                .name        = "ssp-pl022",
                .pm        = &pl022_dev_pm_ops,
        },
        .id_table        = pl022_ids,
        .probe                = pl022_probe,
        .remove                = pl022_remove,
};

static const struct dev_pm_ops pl022_dev_pm_ops = {
        SET_SYSTEM_SLEEP_PM_OPS(pl022_suspend, pl022_resume)
        SET_RUNTIME_PM_OPS(pl022_runtime_suspend, pl022_runtime_resume, NULL)
};
                         
#define SET_RUNTIME_PM_OPS(suspend_fn, resume_fn, idle_fn) 
        .runtime_suspend = suspend_fn, 
        .runtime_resume = resume_fn, 
        .runtime_idle = idle_fn,

pm結(jié)構(gòu)體dev_pm_ops 中的有3個以runtime開頭的成員函數(shù)：runtime_suspend（）、runtime_resume（）和runtime_idle（），它們輔助設備完成運行時的電源管理

struct dev_pm_ops {
    ...
    int (*runtime_suspend)(struct device *dev);
    int (*runtime_resume)(struct device *dev);
    int (*runtime_idle)(struct device *dev);
    ...
};

運行時的PM與前文描述的系統(tǒng)級掛起到RAM時候的PM不太一樣，它是針對單個設備，指系統(tǒng)在非睡眠狀態(tài)的情況下，某個設備在空閑時可以進入運行時掛起狀態(tài)，而在不是空閑時執(zhí)行運行時恢復使得設備進入正常工作狀態(tài)，如此，這個設備在運行時會省電。

每個設備處理好自己的電源管理，在不需要工作時進入低功耗狀態(tài)。也就是"各人自掃門前雪"。Linux提供了一系列API，以便于設備可以聲明自己的運行時PM狀態(tài)：

3. Runtime PM core

Runtime pm core主要提供了三類函數(shù)接口：

提供enable/disable接口給設備驅(qū)動，用于該設備驅(qū)動決定是否打開或關(guān)閉RPM，

提供get、put類接口給設備驅(qū)動，用于決定什么時候進入或者恢復設備低功耗，

在設備驅(qū)動調(diào)用了get、put接口后RPM會調(diào)用各設備驅(qū)動實現(xiàn)的runtime_suspend/runtime_resume接口。

對于決定設備是否進入低功耗的get/put接口的調(diào)用時機，一般會在操作設備相關(guān)寄存器前調(diào)用get接口，在操作完相關(guān)寄存器后調(diào)用put接口?；蛘咴谠O備驅(qū)動的open、release、start、stop等接口里調(diào)用，用戶層的services通過ioctrl或者驅(qū)動提供的文件節(jié)點調(diào)用驅(qū)動的這些接口。

我們可以這樣簡單地理解Linux運行時PM的機制，每個設備（總線的控制器自身也屬于一個設備）都 有引用計數(shù)usage_count和活躍子設備（Active Children，子設備的意思就是該級總線上掛的設備）計數(shù)child_count，當兩個計數(shù)都為0的時候，就進入空閑狀態(tài)，調(diào)用pm_request_idle（dev）。

當設備進入空閑狀態(tài)，與pm_request_idle（dev）對應的PM核并不一定直接調(diào)用設備驅(qū)動的runtime_suspend（），它實際上在多數(shù)情況下是調(diào)用與該設備對應的bus_type的runtime_idle（）。

在具體的設備驅(qū)動中，一般的用法則是在設備驅(qū)動probe（）時運行pm_runtime_enable（）使能運行時PM支持，在運行過程中動態(tài)地執(zhí)行“pm_runtime_get_xxx（）->做工作->pm_runtime_put_xxx（）”的序列。如代碼清單19.19中的drivers/watchdog/omap_wdt.c OMAP的看門狗驅(qū)動。

在omap_wdt_start（）中啟動了pm_runtime_get_sync（），

而在omap_wdt_stop（）中調(diào)用了pm_runtime_put_sync（）。

static const struct watchdog_ops omap_wdt_ops = {
        .owner                = THIS_MODULE,
        .start                = omap_wdt_start,
        .stop                = omap_wdt_stop,
        .ping                = omap_wdt_ping,
        .set_timeout        = omap_wdt_set_timeout,
        .get_timeleft        = omap_wdt_get_timeleft,
};

static int omap_wdt_start(struct watchdog_device *wdog)
{

    pm_runtime_get_sync(wdev->dev);//告訴內(nèi)核要開始用看門狗這個設備了，如果看門狗設備已經(jīng)進入省電模式（之前引用計數(shù)為0且執(zhí)行了運行時掛起），會導致該設備的運行時恢復
    
static int omap_wdt_stop(struct watchdog_device *wdog)
{
    pm_runtime_put_sync(wdev->dev);//告訴內(nèi)核不用這個設備了，如果引用計數(shù)變?yōu)?且活躍子設備為0，則導致該看門狗設備的運行時掛起。

在一些設備上不使用的時候不能立即掛起，，因為掛起狀態(tài)的進入和恢復需要一些時間，如果設備不在掛起之間保留一定的時間，頻繁進出掛起反而會帶來新的開銷。因此，我們可根據(jù)情況決定只有設備在空閑了一段時間后才進入掛起（一般來說，一個一段時間沒有被使用的設備，還會有一段時間不會被使用），基于此，一些設備驅(qū)動也常常使用自動掛動模式進行編程。

在執(zhí)行操作的時候聲明pm_runtime_get（），操作完成后執(zhí)行pm_runtime_mark_last_busy（）和pm_runtime_put_autosuspend（），一旦自動掛動的延時到期且設備的使用計數(shù)為0，則引發(fā)相關(guān)runtime_suspend（）入口函數(shù)的調(diào)用。

設備驅(qū)動PM成員的runtime_suspend（）一般完成保存上下文、切到省電模式的工作，而runtime_resume（）一般完成對硬件上電、恢復上下文的工作

4. power domain framework

一個power domain上可能包含多個IP，每個IP可能對應一個或多個設備。這些設備會在dts中描述與power domain的綁定關(guān)系。系統(tǒng)初始化的時候，會將這個power domain放到一個鏈表中，然后根據(jù)設備中dts描述的與power domain的關(guān)系，將設備掛在power domain節(jié)點下的鏈表中。

當某個設備驅(qū)動通過put接口調(diào)用，將usage_count從1減少到0，這時會先調(diào)用power domain注冊的runtime_suspend接口，在這個接口中，會先調(diào)用該設備驅(qū)動的runtime_suspend，然后遍歷該power domain下所有的設備是否都允許suspend（各設備驅(qū)動的usage_count是否為0）,若允許就會直接調(diào)用關(guān)閉power domian的接口，否則直接返回。當某個設備驅(qū)動通過get接口調(diào)用，將usage_count從0增加到1，這時會先調(diào)用power domain注冊的runtime_resume接口，在這個接口中，會先將power domain上電，然后再調(diào)用設備驅(qū)動對應的runtime_resume回調(diào)函數(shù)，讓設備退出低功耗。

5. runtime pm的sysfs

對于支持rpm的設備，在相應的設備節(jié)點下有多個rpm相關(guān)屬性的文件節(jié)點，分別為control，runtime_susupend_time,runtime_active_time，autosuspend_delay_ms，runtime_status。接口在文件: /kernel/drivers/base/power/sysfs.c中描述。

/sys/devices/.../power/control

on - 調(diào)用pm_runtime_forbid接口，增加設備的引用計數(shù)，然后resume設備。

auto - 調(diào)用pm_runtime_allow接口，減少設備的引用計數(shù)，如果設備的引用計數(shù)為0，則idle設備。

/sys/devices/.../power/runtime_status

active - 設備的狀態(tài)是正常工作狀態(tài)。

suspend- 設備的狀態(tài)是低功耗模式。

suspending-設備的狀態(tài)正在從active->suspend轉(zhuǎn)化。

resuming-設備的狀態(tài)正在從suspend->active轉(zhuǎn)化。

error-設備runtime出現(xiàn)錯誤，此時runtime_error的標志置位。

unsupported-設備的runtime 沒有使能，此時disable_depth標志置位。

/sys/devices/.../power/runtime_suspend_time

設備在suspend狀態(tài)的時間

/sys/devices/.../power/runtime_active_time

設備在active狀態(tài)的時間

/sys/devices/.../power/autosuspend_delay_ms

設備在idle狀態(tài)多久之后suspend，設置延遲suspend的延遲時間。

后記：

在編寫驅(qū)動的時候，如果涉及電源管理的功耗需求，就需要實現(xiàn)struct dev_pm_ops，為驅(qū)動程序增加一個電源管理的功能，會更加的靈活，也是我們?nèi)?yōu)化系統(tǒng)功耗的一個重要方向。因為大多數(shù)程序估計是供應商提供的，但是我們自己的加的硬件的程序估計是我們自己去寫的，并且做業(yè)務挺耗電，給自己寫的驅(qū)動加個電源管理就挺好。