三種典型嵌入式操作系統(tǒng)電源管理實(shí)現(xiàn) - 嵌入式系統(tǒng)電源管理實(shí)現(xiàn)對比

三種典型嵌入式操作系統(tǒng)電源管理實(shí)現(xiàn)

伴隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的普及，電源管理已經(jīng)成為重要技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品的有機(jī)組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及迫切需要一種小型化、有極高能耗管理能力的網(wǎng)絡(luò)化小型操作系統(tǒng)。源于斯坦福大學(xué)的TinyOS是其中典型代表。Windows CE在嵌入式移動(dòng)終端設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，其能耗管理實(shí)現(xiàn)與Windows CE內(nèi)核架構(gòu)緊密相關(guān)。Linux以其開放性和可定制等特點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到極大的發(fā)展。本文選擇上述三種典型嵌入式操作系統(tǒng)，對其電源管理實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論與分析。

TinyOS

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是典型的嵌入式系統(tǒng)，主要功耗器件有處理器、內(nèi)存、帶A/D的傳感器和無線收發(fā)單元等。傳感器由于存儲(chǔ)容量小、運(yùn)算能力弱、功耗低、易失效等特點(diǎn)，對嵌入式開發(fā)提出了更高要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了降低系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，決定了電源管理是傳感網(wǎng)專用操作系統(tǒng)重要組成。對電源管理的支持優(yōu)劣，決定了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生存周期長短。TinyOS操作系統(tǒng)是一個(gè)傳感網(wǎng)專用操作系統(tǒng)的典型代表。它具有基于組件的特性，采用相互關(guān)聯(lián)的模塊進(jìn)行能量管理。

·TinyOS的每個(gè)設(shè)備都可以通過StdControl.stop命令被停止。
·負(fù)責(zé)管理外圍硬件設(shè)備的組件將切換該設(shè)備到低功耗狀態(tài)。
·TinyOS的HPLPowerManagement構(gòu)件通過檢查處理器的I/O引腳和控制寄存器狀態(tài)，識(shí)別當(dāng)前硬件的狀態(tài)，將處理器轉(zhuǎn)人相應(yīng)的低功耗模式。
·調(diào)度器會(huì)在就緒任務(wù)隊(duì)列為空時(shí)，自動(dòng)將處理器置于低功耗模式。但是保留外圍設(shè)備的運(yùn)行，以至于他們中的任何一個(gè)可以喚醒系統(tǒng)。
·系統(tǒng)的定時(shí)器服務(wù)可以工作在大多數(shù)處理器的極低功耗的省電模式下。

Windows CE

Windows CE從4.0版本引入電源管理器(Power Manager)來提供管理電源框架。電源管理器負(fù)責(zé)管理設(shè)備電源，提高操作系統(tǒng)整體能耗效率，并且與不支持電源管理功能的設(shè)備和應(yīng)用兼容，在內(nèi)核OAL層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序之間充當(dāng)中間人角色。電源管理器還嚴(yán)格區(qū)分系統(tǒng)的電源狀態(tài)與設(shè)備的電源狀態(tài)，讓一些智能設(shè)備可管理自己的電源狀態(tài)。

·電源管理器結(jié)構(gòu)

Windows CE電源管理器PM.DLL直接與設(shè)備管理器Device.exe鏈接，并支持三個(gè)接口：
·驅(qū)動(dòng)程序接口：被需要進(jìn)行電源管理的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序使用。
·應(yīng)用程序接口：被需要利用電源管理的應(yīng)用程序使用。
·提醒接口(Notification)：被需要接受電源事件提醒的應(yīng)用程序使用。
電源管理器直接或間接地與應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序交互。電源管理器與驅(qū)動(dòng)程序主要通過驅(qū)動(dòng)程序接口進(jìn)行交互，與應(yīng)用程序通過API和提醒接口進(jìn)行交互，如圖3所示。

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·系統(tǒng)電源狀態(tài)

Windows CE系統(tǒng)電源狀態(tài)的改變可以作為一個(gè)OEM事件，或者通過OEM的應(yīng)用程序和工具調(diào)用SetPowerState()函數(shù)產(chǎn)生。Windows CE支持以下幾種電源狀態(tài)：(1)ON狀態(tài)，用戶在主動(dòng)使用設(shè)備。(2)UserIdle狀態(tài)，用戶與設(shè)備停止交互，但仍有可能使用設(shè)備。(3)SystemIdle狀態(tài)，在經(jīng)過一段時(shí)間的UserIdle后進(jìn)入此狀態(tài)，但是驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)仍然活動(dòng)。(4)Suspend狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)進(jìn)程不再與系統(tǒng)交互時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)。(5)ColdReboot和Reboot狀態(tài)，冷啟動(dòng)后系統(tǒng)電源狀態(tài)。

·設(shè)備電源管理

Windows CE設(shè)備電源狀態(tài)管理和系統(tǒng)相分離。驅(qū)動(dòng)程序需要實(shí)現(xiàn)：(1)響應(yīng)電源管理器的請求，報(bào)告它的電源能力。(2)處理電源管理器發(fā)送的電源請求。(3)啟動(dòng)后給設(shè)備加電。(4)關(guān)閉時(shí)給設(shè)備停止供電。(5)如果它可以喚醒系統(tǒng)，則為設(shè)備啟用喚醒功能。設(shè)備還可以通過調(diào)用RegisterPower Relationship()函數(shù)告訴電源管理器它為獨(dú)立的子設(shè)備驅(qū)動(dòng)處理電源請求。例如總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)或某些設(shè)備驅(qū)動(dòng)代理。

電源管理器和支持電源管理的設(shè)備之間的交互包括兩種機(jī)制：(1)電源管理器到驅(qū)動(dòng)程序，電源管理器使用DeviceIoControl()函數(shù)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送I/O控制(IOCTLs)。設(shè)備必須能響應(yīng)管理器的電源管理能力查詢、狀態(tài)設(shè)置等IOCTLs。(2)驅(qū)動(dòng)程序到電源管理器，驅(qū)動(dòng)程序使用DevicePower Notify()函數(shù)與電源管理器交互，請求電源管理器把它的設(shè)備置于某種狀態(tài)。如果電源管理器接受該請求則通過發(fā)送IOCTL_POWER_SET等IOCTLS來進(jìn)行設(shè)置。

·應(yīng)用程序與電源管理器交互

Windows CE應(yīng)用程序與電源管理有兩種交互機(jī)制：(1)應(yīng)用程序接口，用以獲取當(dāng)前系統(tǒng)和設(shè)備的電源狀態(tài)；(2)電源事件提醒接口，提供電源事件的提醒。應(yīng)用程序接口中，GetSystemPowerState()函數(shù)用來返回當(dāng)前系統(tǒng)電源狀態(tài)。SetSystemPowerState()函數(shù)可被OEM程序或者其他應(yīng)用程序調(diào)用，來把系統(tǒng)電源狀態(tài)設(shè)置為需要值。SetDevicePower()用來設(shè)置設(shè)備電源狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)提醒接口，應(yīng)用程序還得通過CreateMsgqueue()函數(shù)建立消息隊(duì)列，將其句柄傳給電源管理器。而后電源管理器把提醒發(fā)送到消息隊(duì)列中，調(diào)用者可選擇可用提醒的一個(gè)子集進(jìn)行響應(yīng)。

·OAL層實(shí)現(xiàn)

在Windows CE中，在OAL層，電源管理需要實(shí)現(xiàn)OEMIdle()和OEMPowerOff()函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)中沒有任何可調(diào)度的線程時(shí)，操作系統(tǒng)調(diào)用OEMIdle()函數(shù)，可以在其中實(shí)現(xiàn)降低處理器的頻率以達(dá)到省電的目的。當(dāng)有外部中斷時(shí)，CPU可從其中恢復(fù)。OEMPowerOff函數(shù)基于硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行CPU寄存器保存、設(shè)置及喚醒恢復(fù)等功能。

嵌入式Linux

　　嵌入式Linux電源管理結(jié)構(gòu)

　　Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)電源管理有ACPI、APM等機(jī)制。這些機(jī)制依賴于PC機(jī)的BIOS功能實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)一般都沒有實(shí)現(xiàn)BIOS支持，對其能耗管理機(jī)制需要進(jìn)行其他定義。消費(fèi)類電子產(chǎn)品聯(lián)盟—CELF對能耗管理作了定義，其框架如圖4所示。

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圖4 CELF電源管理規(guī)范

　　CELF的能耗管理框架分為內(nèi)核層和用戶層。內(nèi)核層又劃分為體系結(jié)構(gòu)無關(guān)層和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層。體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層主要提供可管理硬件支持，例如處理器電壓和運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)，各種總線運(yùn)行頻率管理，設(shè)備的關(guān)斷管理等。內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)無關(guān)層在體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層的基礎(chǔ)上為用戶層提供APIs，進(jìn)行各種能耗管理功能的支持。它包含一個(gè)能耗管理(PM)引擎，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)負(fù)載選擇系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài);提供能耗管理的掛起和恢復(fù)方法;提供VST技術(shù)，通過估計(jì)下次準(zhǔn)確喚醒時(shí)間來確保在進(jìn)入深度睡眠時(shí)，不被原來固定時(shí)間產(chǎn)生的定時(shí)器中斷喚醒;還包含了各種外部設(shè)備關(guān)閉/開啟的操作邏輯。

　　用戶通過編制具有一定智能的管理策略駐留程序，利用系統(tǒng)提供的能耗管理機(jī)制，進(jìn)行有效的系統(tǒng)能耗管理。

　　此外，在某些實(shí)現(xiàn)中，也可以將ACPI中的BIOS調(diào)用進(jìn)行映射，在內(nèi)核用軟件實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)，用以支持沒有BIOS的電源管理。