Linux下的動態(tài)電源管理(DPM)技術分析

在手持設備設計中，電源管理歷來為重要的研究課題之一。我們日常所說的省電就屬于電源管理的范疇，這也是我們最關心的一個部分。通過掛起不必要的設備、降低CPU的頻率或者其它方法，可以減少能量的消耗，達到省電的目的。電源管理實際上是一個系統(tǒng)工程，從應用程序到內核框架，再到設備驅動和硬件設備，都要參與進來，才能達到電源管理的最優(yōu)化。本文介紹一下動態(tài)電源管理(DPM)。
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所謂的動態(tài)電源管理(DPM)是一種電源管理機制，它允許在系統(tǒng)運行時動態(tài)的管理電源，這可能是相對于傳統(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(resume)運行讓程序正常工作，這個過程通常要用戶參與(如按鍵)，而且這種狀態(tài)切換非常緩慢。在動態(tài)電源管理(DPM)中，系統(tǒng)一方面可以關閉暫時不使用的設備，比如關閉硬盤和顯示器。另外一方面也可以根據(jù)負載的重輕，動態(tài)調整CPU和總線的頻率，以達到節(jié)省能源的目的。這都是動態(tài)完成的，不需要用戶的干預，而且狀態(tài)之間的切換非?？?每秒數(shù)百次)。
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動態(tài)電源管理(DPM)是很一個廣泛的概念，很多系統(tǒng)實際上都采用了動態(tài)電源管理(DPM)方式，本文要談的是Linux下的動態(tài)電源管理(DPM)。Linux很早就采用了動態(tài)電源管理，在driver目錄下有個cpufreq的驅動程序，它就是用來動態(tài)調整CPU頻率以降低能源消耗的。
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不過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顯示屏等外設相比，CPU已經不是能源消耗的大戶了，光調整CPU的頻率用處不大。而且cpufreq還依賴于像ACPI等PC環(huán)境，而嵌入式設備一般都沒有BIOS，電源管理功能只能完全由操作系統(tǒng)實現(xiàn)。cpufreq的實現(xiàn)目前還不太清楚，我們會在后續(xù)的文章中繼續(xù)研究。
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就目前掌握的資料來看，用嵌入式Linux系統(tǒng)的動態(tài)電源管理只有IBM奧斯汀實驗室和MontaVista聯(lián)合開發(fā)的動態(tài)電源管理(DPM)（http://dynamicpower.sourceforge.net/）。我們將對它的架構做簡要分析，下面提到動態(tài)電源管理(DPM)實際上是特指這個解決方案及其實現(xiàn)。
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我們先介紹幾個重要概念：
1.?????????operating point:?它實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operating point，第一個operating point的名稱為”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:?它實際上就是系統(tǒng)的運行狀態(tài)，比如工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)。不過在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高級抽象。它負責把operating state映射到一個或者一組(class) operating point上。系統(tǒng)中可以有多個policy，但只一個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，policy選取其中第一個滿足約束條件的operating point作為有效operating point。
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5.?????????constraint：它指設備的約束條件，即只有在滿足約束條件下，設備才能正常工作，比如LCD要一定總線頻率才能正常更新屏幕。在狀態(tài)切換時，如果下一狀態(tài)對應的operating point不滿足設備的約束條件，有兩種選擇：要么強制關閉設備，要么狀態(tài)切換失敗，根據(jù)設置而定。
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dynamicpower可以認為是一種典型的按照機制與策略分開的模式設計的，它只實現(xiàn)了動態(tài)電源管理這種機制，而所有策略完全由用戶空間的應用程序去做實現(xiàn)。總的來說它分為三個層次：
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1.?????????API函數(shù)庫。這一部分主要是對內核提供的sysfs和proc文件進行封裝，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：首先要創(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，接下來在operating state和class/operating point之間建立映射關系，這是初始化過程要做的。在系統(tǒng)運行過程中，dpm會自動選擇適當?shù)哪Ｊ?，如果有多種policy，應用程序也可以激活適當?shù)膒olicy。
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2.?????????內核框架代碼。它的主要功能包括對policy的管理，各種狀態(tài)的切換等平臺無關的操作，同時還提供了一些sysfs和proc文件用來和用戶空間的應用程序交互。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主要是用于與用戶空間應用程序交互的，其它代碼則是用于與系統(tǒng)其它部分協(xié)調工作的。這一層代碼不算太復雜，其中最重要的部分是狀態(tài)切換，其主要過程如下：

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