使用嵌入式Linux的動態(tài)電源管理策略

設(shè)備制造商正面臨挑戰(zhàn)，因為消費者要求其設(shè)備具有完整的功能，而移動設(shè)備正變得越來越復(fù)雜和功能豐富。除了完整的功能外，消費者還希望獲得持久電池壽命的便利。不幸的是，對于設(shè)備制造商來說，這兩個設(shè)計目標只能以相互為代價來實現(xiàn)。當開發(fā)人員被拉向這兩個不同的方向時，可以做些什么來減輕他們的痛苦？

當設(shè)計團隊試圖將兩者都提供給要求苛刻的消費者時，性能與節(jié)能的二分法可能會令人抓狂。滿足這些要求意味著不斷突破性能的界限，同時從其構(gòu)建中擠出每一點電池壽命。幸運的是，設(shè)計團隊擁有觸手可及的資源，使他們能夠做到這一點。以下討論提供了有關(guān)設(shè)備制造商如何通過嵌入式 Linux 的動態(tài)電源管理功能最大限度地節(jié)省手持設(shè)備的功耗的見解。

電源管理案例

電源管理是一個系統(tǒng)范圍的設(shè)計目標，需要硬件、內(nèi)核和用戶空間應(yīng)用程序的協(xié)調(diào)與合作。通過在 CPU 處于活動狀態(tài)以及處于非活動狀態(tài)時提供節(jié)能選項，Linux 為工程師提供了多種工具，使他們能夠在設(shè)計構(gòu)建中最大限度地節(jié)能。

但為什么電源管理如此重要？首先，電源管理功能是消費者的首要任務(wù)。無論設(shè)備的最終用途如何，無論是語音、視頻、音樂還是 Web 訪問，最終用戶都希望他們的移動設(shè)備具有持久的電池壽命。因為電源管理對于想要在市場上獲勝的制造商來說是必不可少的，所以他們必須將長電池壽命作為首要功能。工程師實現(xiàn)這些期望的能力可以在贏得市場和成為失敗者之間產(chǎn)生差異。

制定一個可靠的電源管理策略以最大限度地節(jié)省功耗是設(shè)計過程早期的關(guān)鍵步驟。這個想法是以對最終用戶透明的方式來計劃節(jié)能。鑒于節(jié)能方法總是以性能或功能換取能源，因此必須制定明確的戰(zhàn)略。一些成功的設(shè)計工程師這樣做的方法是在處理器不忙時縮減性能，或者在不使用外設(shè)時將其置于待機模式。

全球視野

在制定電源管理策略時，重要的是要全面了解功耗，以節(jié)省時間并盡可能節(jié)省電能。關(guān)注系統(tǒng)中所有的耗電大戶，而不是對已經(jīng)提供足夠回報的算法進行復(fù)雜的優(yōu)化，從而獲得更好的努力回報。

例如，想想普通移動設(shè)備的主要功耗來源。細分表明，片上系統(tǒng) （SoC） 只是整個戰(zhàn)略的一個組成部分。完整的功率圖包括其他大量能源消耗，包括背光、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、功率放大器等。

CPU 是嵌入式系統(tǒng)中功耗的主要來源，必須仔細調(diào)節(jié)其功耗以實現(xiàn)激進的電源管理目標，例如延長電池壽命。CPUfreq 和 CPUidle 是 Linux 內(nèi)核中的系統(tǒng)，它們通過稱為動態(tài)電源管理（DPM） 的技術(shù)來管理 CPU 電源使用情況。

DPM 的前提是系統(tǒng)在運行期間會遇到不均勻的工作負載。因此，DPM 包含一組技術(shù)，通過選擇性地關(guān)閉系統(tǒng)組件或在它們不是完全必要或滿負荷需要時降低它們的性能來實現(xiàn)節(jié)能計算。CPUfreq 通過動態(tài)調(diào)整 CPU 的電壓和頻率以響應(yīng)系統(tǒng)不斷變化的性能要求，為節(jié)能設(shè)計提供了框架。CPUidle 控制當 CPU 無工作時進入哪個低功耗空閑狀態(tài)。

制定計劃：先 DPM，然后再深入

動態(tài)電源管理可以在設(shè)計過程中的兩個關(guān)鍵點實現(xiàn)：CPU 處于活動狀態(tài)和 CPU 處于非活動狀態(tài)。

· 當 CPU 處于活動狀態(tài)時：這可以使用稱為負載縮放的技術(shù)來實現(xiàn)。在執(zhí)行代碼時動態(tài)調(diào)整處理器的電壓/頻率可以節(jié)省大量電力。使用稱為調(diào)速器的插件控制算法，可以根據(jù)包括工作負載在內(nèi)的任意數(shù)量的指標調(diào)整電壓/頻率。

· 當 CPU 處于非活動狀態(tài)時：這可以通過另一種稱為空閑縮放的技術(shù)來完成?？臻e縮放涉及在系統(tǒng)空閑時進入處理器的低功耗狀態(tài)之一，然后在有指令執(zhí)行時返回到活動狀態(tài)（由 CPUfreq 控制）。

為了獲得最大效果，兩種技術(shù)可以一起使用?？梢韵胂?，當同時應(yīng)用空閑和負載擴展策略時，節(jié)能的潛力是巨大的。這兩種策略都被證明是有效的；他們是真正的主力。

更深奧的策略會產(chǎn)生增量改進。這些通常不值得付出努力。當將稱為應(yīng)用程序擴展的策略應(yīng)用于執(zhí)行 MPEG-4 播放的嵌入式系統(tǒng)時，僅比負載擴展策略額外節(jié)省 4% 的功率。

應(yīng)用程序縮放需要修改播放應(yīng)用程序以實現(xiàn)一種稱為提前工作的技術(shù)。解碼完幀后，前處理算法立即開始在較低的操作點解碼下一幀。它繼續(xù)向前工作，在更節(jié)能的操作點解碼未來的幀，直到它注意到它有錯過最后期限的危險，此時它會將系統(tǒng)限制到更高的性能水平以迎頭趕上。這種復(fù)雜的優(yōu)化僅在負載縮放策略上實現(xiàn)了很小的功率節(jié)省。商業(yè) Linux 解決方案為空閑和負載縮放技術(shù)提供了開箱即用的支持，這使設(shè)計人員能夠自由地研究和降低系統(tǒng)其他部分的功耗。

提前規(guī)劃電源

對電源管理的需求不會消失。相反，它正在成為移動設(shè)備設(shè)計中越來越重要的特征。采用強大的電源管理策略構(gòu)建的設(shè)計團隊可以利用 Linux 的功能來提供消費者所需的節(jié)能，而不必在性能方面做出不可接受的犧牲。

在設(shè)計過程的早期制定節(jié)能策略，從全局角度了解功耗，并在 CPU 處于活動狀態(tài)和空閑狀態(tài)時利用節(jié)能效果僅僅是開始。存在關(guān)于電源管理這一重要主題的其他注意事項和策略，因此請務(wù)必為即將開展的項目進一步研究這項技術(shù)。

審核編輯：郭婷