電源管理入門：Power supply子系統(tǒng)

對(duì)于便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，電源管理更加的重要，因?yàn)?strong>電池電量有限，容易電量焦慮。除了省電管理外，還需要對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控管理和充放電管理，這樣保護(hù)好電池和系統(tǒng)，能用的更久。

1. Power supply框架都做些什么

這里我們以安卓為例：

APP 層：該部分屬于電量上報(bào)的最后的環(huán)節(jié)。其主要工作是：監(jiān)聽系統(tǒng)廣播并對(duì) UI 作出相應(yīng)更新，包括電池電量百分比，充電狀態(tài)，低電提醒，led 指示燈，異常提醒等。

FrameWork 層：本層的 Battery 服務(wù)使用 Java 代碼寫成，運(yùn)行在 FrameWork 中的SystemServer 進(jìn)程。該系統(tǒng)服務(wù)的主要作用是：監(jiān)聽電池信息變化消息，并將該消息以系統(tǒng)廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)至 Android 系統(tǒng)中各處。

Native 層：Healthd 守護(hù)進(jìn)程屬于 Android Native 層的一個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，負(fù)責(zé)接受 Kernel Driver 層上報(bào)的 uevent 事件，對(duì)電池信息和充電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

Kernel 層：本層屬于電池的驅(qū)動(dòng)部分，由 Charger-manager 驅(qū)動(dòng)、充電 IC 驅(qū)動(dòng)、Fuel 驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)與硬件交互，注冊(cè) Power supply 屬性，并生成 uevent 上報(bào) Native 層。包含充電狀態(tài)管理、電量統(tǒng)計(jì)與更新。

關(guān)機(jī)充電
關(guān)機(jī)充電是單獨(dú)啟動(dòng)的一個(gè) linux 應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用直接讀取 sysfs 來(lái)獲取電池信息，init 進(jìn)程會(huì)根據(jù)啟動(dòng)模式來(lái)啟動(dòng) charge 服務(wù)，不會(huì)啟動(dòng) android 相關(guān)進(jìn)程。

我們這里只關(guān)注kernel層：

power supply framework在kernel/drivers/power/下。內(nèi)核抽象出來(lái)power supply子系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)提供了統(tǒng)一的框架。功能包括：

1.抽象PSY設(shè)備的共性，向用戶空間提供統(tǒng)一的API

2.為底層PSY驅(qū)動(dòng)的編寫，提供簡(jiǎn)單、統(tǒng)一的方式。同事封裝并實(shí)現(xiàn)公共邏輯。

power supply class位于drivers/power/目錄中，主要由3部分組成（可參考下圖的軟件架構(gòu)）：

1）power supply core，用于抽象核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)公共邏輯。位于drivers/power/power_supply_core.c中。

2）power supply sysfs，實(shí)現(xiàn)sysfs以及uevent功能。位于drivers/power/power_supply_sysfs.c中。

3）power supply leds，基于linux led class，提供PSY設(shè)備狀態(tài)指示的通用實(shí)現(xiàn)。位于drivers/power/power_suppply_leds.c中。

最后，驅(qū)動(dòng)工程師可以基于power supply class，實(shí)現(xiàn)具體的PSY drivers，主要處理平臺(tái)相關(guān)、硬件相關(guān)的邏輯。這些drivers都位于drivers/power/目錄下。

2. 相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct power_supply：用于抽象PSY設(shè)備

/* include/linux/power_supply.h */
struct power_supply {
const struct power_supply_desc *desc;//PSY描述符

char **supplied_to;
size_t num_supplicants;

char **supplied_from;
size_t num_supplies;
struct device_node *of_node;

/* Driver private data */
void *drv_data;

/* private */
struct device dev;
struct work_struct changed_work;
struct delayed_work deferred_register_work;
spinlock_t changed_lock;
bool changed;
bool initialized;
bool removing;
atomic_t use_cnt;
#ifdef CONFIG_THERMAL
struct thermal_zone_device *tzd;
struct thermal_cooling_device *tcd;
#endif

#ifdef CONFIG_LEDS_TRIGGERS
struct led_trigger *charging_full_trig;
char *charging_full_trig_name;
struct led_trigger *charging_trig;
char *charging_trig_name;
struct led_trigger *full_trig;
char *full_trig_name;
struct led_trigger *online_trig;
char *online_trig_name;
struct led_trigger *charging_blink_full_solid_trig;
char *charging_blink_full_solid_trig_name;
#endif
};

struct power_supply_desc：該描述符定義了psy的屬性

/* Description of power supply */
struct power_supply_desc {
const char *name;//PSY name
enum power_supply_type type;//PSY類型
enum power_supply_usb_type *usb_types;//usb類型
size_t num_usb_types;//usb類型個(gè)數(shù)
enum power_supply_property *properties;//該P(yáng)SY具有的屬性列表
size_t num_properties;//屬性的個(gè)數(shù)

/*
 * Functions for drivers implementing power supply class.
 * These shouldn't be called directly by other drivers for accessing
 * this power supply. Instead use power_supply_*() functions (for
 * example power_supply_get_property()).
 */
int (*get_property)(struct power_supply *psy,//用于獲取psy屬性的回調(diào)函數(shù)
    enum power_supply_property psp,
    union power_supply_propval *val);
int (*set_property)(struct power_supply *psy,//用于設(shè)置psy屬性的回調(diào)函數(shù)
    enum power_supply_property psp,
    const union power_supply_propval *val);
/*
 * property_is_writeable() will be called during registration
 * of power supply. If this happens during device probe then it must
 * not access internal data of device (because probe did not end).
 */
int (*property_is_writeable)(struct power_supply *psy,//返回指定的屬性值是否可寫（用于sysfs）
     enum power_supply_property psp);
void (*external_power_changed)(struct power_supply *psy);//當(dāng)一個(gè)PSY設(shè)備存在并且屬性發(fā)生改變時(shí)，power supply core會(huì)調(diào)用該回調(diào)函數(shù)，通知PSY driver，以便讓它做出相應(yīng)的處理
void (*set_charged)(struct power_supply *psy);

/*
 * Set if thermal zone should not be created for this power supply.
 * For example for virtual supplies forwarding calls to actual
 * sensors or other supplies.
 */
bool no_thermal;
/* For APM emulation, think legacy userspace. */
int use_for_apm;
};

power_supply_battery_info：管理靜態(tài)電池參數(shù)的推薦結(jié)構(gòu)

2.2 接口

power_supply_core.c主要負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)變化邏輯，power_supply_sysfs.c主要負(fù)責(zé)文件節(jié)點(diǎn)相關(guān)邏輯。

power_supply_changed：在驅(qū)動(dòng)中檢測(cè)到硬件狀態(tài)發(fā)生變化，會(huì)通過(guò)該函數(shù)調(diào)度起psy中的changed_work。該工作隊(duì)列負(fù)責(zé)發(fā)送notifier（內(nèi)核內(nèi)不同模塊之間）和通過(guò)uevent進(jìn)行change上報(bào)。

void power_supply_changed(struct power_supply *psy)
{
unsigned long flags;

dev_dbg(&psy->dev, "%s
", __func__);

spin_lock_irqsave(&psy->changed_lock, flags);
psy->changed = true;
pm_stay_awake(&psy->dev);
spin_unlock_irqrestore(&psy->changed_lock, flags);
schedule_work(&psy->changed_work);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(power_supply_changed);

power_supply_register：通過(guò)調(diào)用__power_supply_register負(fù)責(zé)注冊(cè)一個(gè)psy設(shè)備，一般在設(shè)備驅(qū)動(dòng)的probe流程中調(diào)用

power_supply_get_by_name：通過(guò)名字獲取PSY指針

power_supply_put：釋放獲取到的PSY指針，與power_supply_get_by_name成對(duì)使用

3. 充電驅(qū)動(dòng)

Charge Manger、Fuel Gauge、Charge IC，這三部分作為獨(dú)立的設(shè)備驅(qū)動(dòng)均注冊(cè)到 Power-supply 中，每一個(gè)設(shè)備為單獨(dú)的 PSY。PSY 之間可以通過(guò) power supply 屬性相互訪問(wèn)。

fuel-gauge 跟 charge-ic是服務(wù)于 charge-manger，charge-manger 不需要了解硬件細(xì)節(jié)，僅通過(guò)獲取相應(yīng)功能的 PSY 設(shè)備實(shí)例，通過(guò)這個(gè) PSY 的屬性獲取相應(yīng)信息。

3.1 Charger Manager

Charger Manager 是充電的控制策略層，主要負(fù)責(zé)：

修復(fù)并更新電量百分比。

充電流程管理(charging，notcharging，discharging，full 充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換管理)。

安全管理(Ovp，Health，Charge Time out)。

溫控管理（Jeita 功能，thermal 限流）。

電池電量顯示策略（充放電曲線）。

電池容量管理（容量自學(xué)習(xí)功能）。

Charger Manager 以“battery”名字注冊(cè)至 Power Supply 架構(gòu)，會(huì)讀寫 Fuel Gauge 和 Charger IC 的 Power supply 屬性。

charger-manager {
    compatible = "charger-manager";
    cm-name = "battery";
    cm-poll-mode = <2>; //”_cm_monitor”輪詢模式
    cm-poll-interval = <15000>;//”_cm_monitor”輪詢時(shí)間間隔
    cm-battery-stat = <2>;//電池在位檢測(cè)方法，電壓法

    cm-fullbatt-vchkdrop-ms = <30000>;//充滿電后，檢查復(fù)充條件的周期
    cm-fullbatt-vchkdrop-volt = <84000>;//滿電后復(fù)充電壓條件
    cm-fullbatt-voltage = <4350000>;//軟件滿電電壓判斷閾值，必須配置
    cm-fullbatt-current = <120000>;;//軟件滿電電流判斷閾值，必須配置
    cm-fullbatt-capacity = <100>;//電池滿電時(shí)百分比

    cm-num-chargers = <1>;//charger ic數(shù)量
    //cm-chargers = "sc2721_charger";
    cm-chargers = "fan54015_charger";//charger ic名字
    cm-fuel-gauge = "sc27xx-fgu";//fgu名字

    /* in deci centigrade */
    cm-battery-cold = <200>;
    cm-battery-cold-in-minus;
    cm-battery-hot = <800>;
    cm-battery-temp-diff = <100>;

    /* Allow charging for 6hr */
    cm-charging-max = <36000000>;
    /* recovery charging after stop charging 45min */
    cm-discharging-max = <2700000>;

    /* the interval to feed charger watchdog */
    cm-wdt-interval = <0>;

    /* drop voltage in microVolts to allow shutdown */
    cm-shutdown-voltage = <3470000>;//低電關(guān)機(jī)電壓

    /* when 99% of the time is exceeded, it will be forced to 100% */
    cm-tickle-time-out = <1500>;

    /* how much time to allow capacity change */
    cm-one-cap-time = <60>;//允許電量增加1%最快時(shí)間

    /* when the safe charging voltage is exceeded, stop charging */
    cm-charge-voltage-max = <6500000>;//充電器過(guò)壓保護(hù)電壓閾值
    /* drop voltage in microVolts to restart charging */
    cm-charge-voltage-drop = <700000>;//復(fù)充電壓條件
    //Jeita 溫控策略
    cm-jeita-temp-table = <1000 1030 700000 4200000>,   //不同溫度范圍內(nèi)的充電電流和充電截止電壓
                    <1150 1180 2000000 4400000>,   //默認(rèn)最大充電電流為2A
                    <1450 1420 2000000 4400000>,   //充電電壓為4.35V
                    <1600 1570 700000 4200000>;

    regulator@0 {
            cm-regulator-name = "vddgen0";
            cable@0 {
                    cm-cable-name = "USB";
                    extcon = <&extcon_gpio>;
            };
    };
};

充電溫控策略說(shuō)明

bat: battery {
    compatible = "simple-battery";
    charge-full-design-microamp-hours = <3900000>;//電池容量uAh
    charge-term-current-microamp = <200000>;//截止充電電流
    constant_charge_voltage_max_microvolt = <4400000>;//截止充電電壓
    factory-internal-resistance-micro-ohms = <115000>;//電池內(nèi)阻
    voltage-min-design-microvolt = <3561000>;//Vocv低報(bào)警電壓

    //電池容量 – 溫度補(bǔ)償表
    capacity-temp-table = <60 100>, <40 100>, <25 100>, <0 100>, <(-10) 80>;
    //電池內(nèi)阻值 – 溫度補(bǔ)償表
    resistance-temp-table = <60 60>, <40 70>, <25 100>, <0 328>, <(-20) 887>;
};

3.2 Fuel Gauge

PMIC部分主要負(fù)責(zé)：

庫(kù)倫計(jì)電量積分

充電器類型獲取

電池在位檢測(cè)

開機(jī)電壓管理

內(nèi)阻 – 溫度，容量 – 溫度等補(bǔ)償算法

sc27xx_fuel_gauge 以“sc27xx-fgu”名字注冊(cè)至 Power supply 架構(gòu)，提供屬性給 Charger Manager 讀寫。

pmic_fgu: fgu@a00 {
    compatible = "sprd,sc27xx-fgu", "sprd,sc2731-fgu";
    reg = <0xa00>;
    bat-detect-gpio = <&pmic_eic 9 0>;
    nvmem-cell-names = "fgu_calib";
    nvmem-cells = <&fgu_calib>;
    io-channels = <&pmic_adc 0>, <&pmic_adc 14>, <&pmic_adc 16>;
    io-channel-names = "bat-temp", "charge-vol", "charger-cur";
    interrupt-parent = <&sc2721_pmic>;
    interrupts = <3 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    monitored-battery = <&bat>;
    sprd,calib-resistance-real = <20000>;//庫(kù)侖計(jì)芯片真實(shí)采樣電阻
    sprd,calib-resistance-spec = <20000>;//庫(kù)侖計(jì)芯片規(guī)格電阻
};

3.3 Charger IC

Charger IC 主要負(fù)責(zé)以下具體內(nèi)容：

打開/關(guān)閉充電

設(shè)置充電電流

設(shè)置截止充電電壓點(diǎn)

打開/關(guān)閉 OTG

以 Fan54015 為例，將“fan54015_charger”名字注冊(cè)至 Power supply 架構(gòu)。提供屬性給 Charger Manager讀寫。

&i2c3 {
   status = "okay";
   clock-frequency = <400000>;

   fan54015_chg: charger@6a {
           compatible = "fairchild,fan54015_chg";
           reg = <0x6a>;
           phys = <&hsphy>;
           monitored-battery = <&bat>;
           extcon = <&extcon_gpio>;
           vddvbus:otg-vbus {
                   regulator-name = "vddvbus";
           };
   };
};

4. 怎樣基于power supply class編寫PSY driver

最后從PSY driver的角度，說(shuō)明一下怎么基于power supply class編寫驅(qū)動(dòng)：

（1）根據(jù)硬件spec，確定PSY設(shè)備具備哪些特性，并把他們和enum power_supply_property對(duì)應(yīng)。

（2）根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)這些properties的get/set接口。

（3）定義一個(gè)struct power_supply 變量，并初始化必要字段后，調(diào)用power_supply_register或者power_supply_register_no_ws，將其注冊(cè)到kernel中。

（4）根據(jù)實(shí)際情況，啟動(dòng)設(shè)備屬性變化的監(jiān)控邏輯，例如中斷，輪詢等，并在發(fā)生改變時(shí)，調(diào)用power_supply_changed，通知power suopply core。

power supply子系統(tǒng)的引入 以市面上一款常見(jiàn)的的平板方案來(lái)看一看，進(jìn)入平板的sys/class/power_supply/目錄下

可以看到這里有三個(gè)****PSY設(shè)備，分別對(duì)應(yīng)USB充電器DC充電器，和電池。

進(jìn)入battery目錄下，發(fā)現(xiàn)下面有各種各樣的屬性，另外兩個(gè)atc260x-usb 、atc260x-wall目錄下分別也是這樣。

然后在內(nèi)核中找到對(duì)應(yīng)的代碼，進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后仿制一個(gè)出來(lái)就可以。以battery驅(qū)動(dòng)為例來(lái)分析。

static int __init atc260x_gauge_init(void)

atc260x_gauge_probe(struct platform_device *pdev)

soc_post_process(struct atc260x_gauge_info *info)

power_supply_register(struct device *parent, struct power_supply *psy)

power_supply_changed(struct power_supply *psy)

在相關(guān)的函數(shù)上打點(diǎn)斷點(diǎn)，然后就可以學(xué)習(xí)了。

后記：

Linux內(nèi)核博大精深，里面的機(jī)制太多了，不調(diào)試或者工作涉及根本學(xué)不精。可以了解了解概念和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。遇到了先調(diào)試，必須知道了再去查資料研究，學(xué)不完，根本學(xué)不完。。。