基于Linux的動(dòng)態(tài)電源管理設(shè)計(jì)

為了在產(chǎn)品眾多、競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)上使產(chǎn)品與眾不同，手持設(shè)備的制造商們往往把電池壽命和電源管理作為手機(jī)、PDA、多媒體播放器、游戲機(jī)、其它便攜式消費(fèi)類設(shè)備等產(chǎn)品的關(guān)鍵賣點(diǎn)來考慮。用戶是從電池壽命這方面來看待電源管理的成效，其實(shí)它是多種因素共同作用的結(jié)果，這些因素包括 CPU 功能、系統(tǒng)軟件、中間件，以及使用戶可以在更長(zhǎng)的充電或更換電池的間隔時(shí)間內(nèi)享用各自設(shè)備的策略。
　　電源管理范圍
　　任何擁有筆記本電腦的人都會(huì)感覺到，他們的這種便攜式設(shè)備依靠電池運(yùn)行時(shí)，與依靠交流電（主電源）運(yùn)行對(duì)比，行為表現(xiàn)不一樣，屏幕變暗了，處理器時(shí)鐘變慢了，并且系統(tǒng)只要有可能，就會(huì)轉(zhuǎn)入待機(jī)或睡眠狀態(tài)。
　　另外，PDA 的擁有者們還發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備停用一段時(shí)間之后，屏幕會(huì)變暗，設(shè)備甚至進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而手機(jī)用戶會(huì)注意到，撥號(hào)之后，背光和按鍵照明光熄滅了。在肉眼能夠察覺的這些行為的背后，是若干軟硬件技術(shù)和策略在起作用。
　　
　　明顯的行為如全速運(yùn)行、待機(jī)和睡眠等，充分利用了 CPU 本身的功能來降低工作電壓和/或時(shí)鐘頻率，從而省電。大多數(shù)設(shè)備用戶覺察不到的是，實(shí)際的電源管理還可以是漸增的，并且可以每秒發(fā)生好幾百次，而不是整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)大規(guī)模變化。
　　任何動(dòng)態(tài)電源管理 （DPM） 戰(zhàn)略開始都是調(diào)節(jié)便攜式設(shè)備中存在的一個(gè)或多個(gè)處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率——高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86 的系統(tǒng)通常配備一塊 DSP 或智能基帶處理器。實(shí)際上，Intel XScale 和 TI OMAP 等處理器系列提供了內(nèi)核電壓和頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。不過，現(xiàn)代嵌入式處理器的用電效率非常高，以至于 CPU 并不總是主要的耗能器件，其它大能耗器件可能包括高性能存儲(chǔ)器、彩色顯示器和無線接口。因此，動(dòng)態(tài)電源管理系統(tǒng)如果只關(guān)注對(duì)處理器內(nèi)核的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的話，那么它的用途也許很有限。
　　真正有用的電源管理方案將支持各種電壓和時(shí)鐘的快速調(diào)節(jié)，既可以與 CPU 內(nèi)核的運(yùn)行協(xié)同進(jìn)行，也可以獨(dú)立進(jìn)行。
　　架構(gòu)
　　兩種現(xiàn)有的電源管理方案是來自“白箱”PC 及筆記本電腦領(lǐng)域，第一種是傳統(tǒng)的“高級(jí)電源管理”（Advanced Power Management，簡(jiǎn)稱 APM）方案，仍用于許多基于 Linux 的便攜式設(shè)備中，而基于微軟操作系統(tǒng)的筆記本電腦和手持設(shè)備已停止采用這種方案了，第二種是“高級(jí)配置和電源接口”（Advanced Configuration and Power Interface，簡(jiǎn)稱 ACPI），這種現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)得到了英特爾、東芝等公司的支持。對(duì)于 PC、筆記本電腦、服務(wù)器、甚至面向通信設(shè)備的刀片服務(wù)器等“商業(yè)成品”（commercial off-the-shelf，簡(jiǎn)稱 COTS）硬件，ACPI 等系統(tǒng)更受青睞，不過它們表現(xiàn)出對(duì)目前盛行的 x86/IA-32 BIOS 架構(gòu)的強(qiáng)烈依賴。
　　嵌入式系統(tǒng)通常沒有 BIOS（在 PC/AT 的意義上），并且通常無法奢侈地配備機(jī)器抽象，來把操作系統(tǒng)與低層器件和電源管理活動(dòng)隔離開來。因此，在嵌入式 Linux 中，就像在其它針對(duì)電池供電應(yīng)用的操作系統(tǒng)一樣，電源管理活動(dòng)需要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序做特殊干預(yù)。不過請(qǐng)注意一件重要事情，雖然動(dòng)態(tài)電源管理的低層實(shí)現(xiàn)是駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核，但電源管理戰(zhàn)略及策略可以源自中間件和用戶應(yīng)用軟件代碼，實(shí)際也是如此。
　　接口和 API
　　理想狀況下，電源管理系統(tǒng)對(duì)于軟件堆棧的盡可能多的層次而言，幾乎是完全透明的。實(shí)際上，這正是 Transmeta 公司在其 Crusoe 架構(gòu)中遵循的路線，并且已經(jīng)成為現(xiàn)有的各種基于 BIOS 的電源管理方案的目標(biāo)。不過，擁有手持設(shè)備制造經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員將證明這一事實(shí)：整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都需要某種程度的直接參與，如下所述：
　　內(nèi)核接口 在針對(duì) Linux 的 DPM 架構(gòu)中，內(nèi)核中的 DPM 子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)的電源狀態(tài)，并把 DPM 系統(tǒng)的各個(gè)電源得到管理的元件聯(lián)系在一起。DPM 子系統(tǒng)通過多個(gè) API 直接與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通信，這些 API 把驅(qū)動(dòng)程序從完全運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為各種電源得到管理的狀態(tài)。策略管理器（或應(yīng)用軟件自身）通過多個(gè) API 向 DPM 子系統(tǒng)提供指導(dǎo)，這些 API 定義各種策略，并在定義好的運(yùn)行點(diǎn)之間轉(zhuǎn)移整個(gè)系統(tǒng)。
　　驅(qū)動(dòng)程序接口 啟用了 DPM 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序比默認(rèn)驅(qū)動(dòng)程序具有更多“狀態(tài)”：由外部事件通過各種狀態(tài)來驅(qū)動(dòng)它們，或通過來自內(nèi)核 DPM 子系統(tǒng)的回調(diào)來驅(qū)動(dòng)它們，從而反映并遵循運(yùn)行策略。驅(qū)動(dòng)程序 API 還允許驅(qū)動(dòng)程序登記它們連接和管理的各個(gè)設(shè)備的基本運(yùn)行特征，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的策略決策。
　　用戶程序 API 用戶程序（應(yīng)用軟件）分為三類：
　　·可感知電源管理的應(yīng)用軟件
　　·可感知電源管理的“包裝器”中的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件
　　·不帶電源管理的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件
　　可感知電源管理的應(yīng)用軟件能夠充分利用來自策略管理器的 API，從而建立各自的基礎(chǔ)約束，并強(qiáng)制電源管理策略發(fā)生變化，以便匹配各自的執(zhí)行要求。不直接帶有電源管理功能的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件可以“包裝”到代碼或補(bǔ)丁中，從而實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)男Ч?，它們還可以按照默認(rèn)行為來運(yùn)行，這取決于更寬范圍的默認(rèn)策略管理。
　　嵌入式 Linux DPM 下的實(shí)際機(jī)制包括各種 API，比如 dpm_set_os（）（內(nèi)核）、assert_constraint（）、remove_constraint（） 和 set_operating_state（）（內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序）、set_policy（） 和 set_task_state（）（經(jīng)由系統(tǒng)調(diào)用的用戶級(jí)接口），以及 /proc 接口。
　　借助 DPM 實(shí)現(xiàn)節(jié)能
　　獨(dú)特的節(jié)能機(jī)會(huì)
　　DPM 的定義性特征是電源管理的迅速、高頻率性質(zhì)。傳統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)/筆記本電腦范例的運(yùn)行速度是以數(shù)百毫秒或數(shù)秒計(jì)，與此不同的是，DPM 使各設(shè)備的管理速度只受限于改變供電電壓 （T芕） 或 CPU 時(shí)鐘 （T頗） 所需的時(shí)間。