嵌入式系統電源管理軟件比較(下)

　　嵌入式Linux

　　嵌入式Linux電源管理結構

　　Linux標準內核標準電源管理有ACPI、APM等機制。這些機制依賴于PC機的BIOS功能實現。嵌入式系統一般都沒有實現BIOS支持，對其能耗管理機制需要進行其他定義。消費類電子產品聯盟—CELF對能耗管理作了定義，其框架如圖4所示。

圖4 CELF電源管理規范

　　CELF的能耗管理框架分為內核層和用戶層。內核層又劃分為體系結構無關層和體系結構相關層。體系結構相關層主要提供可管理硬件支持，例如處理器電壓和運行頻率調節，各種總線運行頻率管理，設備的關斷管理等。內核體系結構無關層在體系結構相關層的基礎上為用戶層提供APIs，進行各種能耗管理功能的支持。它包含一個能耗管理(PM)引擎，根據系統任務負載選擇系統運行狀態;提供能耗管理的掛起和恢復方法;提供VST技術，通過估計下次準確喚醒時間來確保在進入深度睡眠時，不被原來固定時間產生的定時器中斷喚醒;還包含了各種外部設備關閉/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，利用系統提供的能耗管理機制，進行有效的系統能耗管理。

　　此外，在某些實現中，也可以將ACPI中的BIOS調用進行映射，在內核用軟件實現回調函數，用以支持沒有BIOS的電源管理。

　　嵌入式Linux內核電源管理實現分析

　　2.6內核提供了一個電源管理框架，在其基礎之上容易實現各種電源管理規范，例如ACPI和APM規范。2.6內核中的設備驅動模型(Linux Driver Model，LDM)是內核對電源管理基礎支持。Kobject基本結構嵌入到描述設備模型的組件的bus、devices、 drivers結構中。這些容器就是通過kobject連接起來形成樹狀結構。每個對象的屬性(attribute)以文件形式輸出到kobject對應的sysfs目錄下。通過這種文件系統接口，可以對平臺進行有效的電源管理。

　　就嵌入式系統而言，電源管理可以分為靜態電源管理，動態電源管理，設備電源管理等三個方面。

　　·靜態電源管理

　　Linux內核支持ON, Standby, Suspend, 和Hibernate四種電源狀態。Standby指“帶電掛起”，通過將CPU置于halt狀態，將設備置于D1狀態來達到節能的目的(ACPI規范中按能耗從高到低分D0~D3)。節能效果不明顯，但是響應延遲最小。Suspend就是掛起到RAM。在該狀態下，所有設備被置于D3狀態，整個系統，除主存處于節電的自刷新模式(self-refresh)外，全部關閉電源。響應延遲比Standby大。Hibernate 是通過將系統狀態保存到非易揮發性存儲中(通常是磁盤)，關閉整個系統的電源。延遲時間最長，但比一次完整啟動來得短。通常情況下嵌入式設備都沒有支持這種方式。

　　通過sysfs文件系統接口觸發系統級電源狀態轉化。轉換管理是通過注冊好的驅動來進行。例如，prepare函數確認系統能夠進入所請求的狀態，并且進行相應的準備工作。例如通過禁止搶占和“冷凍”所有進程來準備進入所請求的電源狀態。Save函數枚舉所有注冊有電源管理能力的設備，保存系統和處理器的低層狀態。接著PM核心禁止了中斷，關閉外部設備電源，調用Sleep函數根據掛起級別進入睡眠狀態。在嵌入式設備掛起過程中可以通過寫入某些特殊的非易失性處理器寄存器來記錄掛起的原因和掛起時的代碼執行地址。系統上電后引導程序先執行，從特殊寄存器中判斷系統是否從深度睡眠(Hibernation)中恢復。如果是，則負責從非易揮發性存儲介質中恢復所有的硬件上下文。如果不是，系統負責從sleep()函數處返回。給所有設備上電，恢復中斷。Restore函數被用來恢復系統的低層調用，恢復設備上下文。Cleanup函數從sleep狀態恢復必須進行的清尾工作，例如搶占重新被允許，系統恢復正常執行。當一次完整的轉換完成后，CPU執行權還給之前執行的進程。

　　·動態電源管理

　　(1)動態電源管理原理

　　如圖5所示，系統無任務時進入空閑，可被中斷喚醒，處理完后重新進入空閑或者回到任務態。如果系統被掛起到RAM中，進入深度睡眠。可以關閉除了中斷控制器和喚醒源之外的所有設備，實現最大限度地省電。根據運行時不同的任務負載，系統應該有對應的不同電源級別。如圖示中的任務、任務-、任務+等代表電源需求的狀態。在完成任務的同時，進行最大化的節能。

圖5  操作狀態間的轉換

　　(2)動態電源管理設計

　　在Linux架構下實現動態電源管理，需要(1)用戶層的管理策略;(2)內核模塊需要為應用層提供的接口;(3)硬件無關的通用電源管理邏輯控制框架;(4)管理特定硬件的平臺相關電源控制層。

　　用戶層策略通過sysfs文件系統接口(或proc文件系統接口)以及系統調用接口(APIs)來進行電源管理。內核硬件無關層提供電源管理邏輯控制，針對任務負載情況選擇反映當前任務電源狀態的電源操作點(相關可控的硬件參數)。內核硬件相關層主要對應系統的各種總線和設備時鐘電源參數管理，并管理多種設備的參數約束。

　　·設備驅動電源管理

　　在某些設備閑置時可以被主動關閉，從而節電。在2.6內核中需要實現總線以及設備的電源管理支持，在驅動中需要實現設備驅動的suspend/resume函數。

　　關閉一個設備，其驅動的suspend方法需要兩個不同的調用，一個用來保存狀，另外一個用來關閉設備電源。相反，resume方法需要一個調用用來給設備供電，另一個調用來恢復設備的狀態。在關閉一個總線設備時必須關閉所有的下一級子設備。相反地，重新使能總線設備時，必須先使能根設備，然后再使能子設備。

　　·用戶層電源管理策略

　　嵌入式系統如何做到有效的平臺級能耗管理需要在內核提供的機制上實現一個智能化的管理軟件，監控系統電源狀態，處理相應電源事件，執行針對特定應用制定的管理策略。現有的Linux ACPI和APM的后臺駐留進程，可以供嵌入式系統實現參考。商業的嵌入式linux 公司MontaVista 在其Moblinux 4.0以后的版本也提供一個用戶態的電源管理策略和界面。

　　嵌入式操作系統電源管理實現比較

　　嵌入式操作系統的電源管理功能實現結構中，主要可以分為核心層、接口層、應用策略管理層。核心層需要提供一個體系結構無關的電源管理框架，感知系統負載，進行系統電源狀態管理。核心層還需要一個體系結構相關層，提供硬件相關的電源狀態管理，例如進行電壓/頻率調節及相應的約束管理。核心層還需要提供一個用戶編程接口，用戶層通過編程來利用系統提供的電源管理機制。并且根據不同的應用需求編制智能化的管理策略。

　　在電源管理功能上大致可以分為(1)系統級電源管理，(2)動態電源管理，(3)設備電源管理等三類。操作系統檢查任務負載情況，如果沒有需要運行的任務，則一般進入空閑等節能狀態，等待喚醒。可以在空閑一段時間后進入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。在運行任務期間，操作系統還可以利用硬件提供的電源管理功能動態調節芯片運行電壓和頻率，對系統進行更加細致的電源管理。操作系統還應該能夠管理閑置的設備，關閉設備并提供恢復手段。

　　上面我們分析的三種典型的嵌入式操作系統在電源管理方面是各有特色;TinyOS 簡練小巧有基本的內核態和系統級的電源管理功能，但是相對比較簡單;WindowsCE電源管理模塊結構清楚，特別有提供了應用程序的接口，但是到目前看到的為止Windows CE/Mobile 開放給用戶的電源管理功能還待提升;Linux 是開源代碼，具有豐富的硬件電源管理支持，策略和動態的電源管理功能，但是相當實現的零散和分散，應用軟件的接口不清晰和標準，需要用戶作的工作比較多。

　　總結和展望

　　消費類電子如近年流行的智能手機、GPS、移動電視都迫切需要高效的電源管理，傳感網節點需要電源管理，以便大規模部署，全球變暖等國際性的問題也對電子產業節能和環保提出了更高的要求。現有的能源管理技術中還有許多問題有待于研究和解決，例如，(1)設計更加節能的芯片，減少系統的靜態功耗，半導體制造工藝的改進，在芯片級別進行更好性能監測，通過設計優良的負載預測算法，在系統運行中對能耗級別進行更加精細調節。(2)在系統軟件的設計上需要規范定義一個適合應用體系的框架結構，比如Intel 發起的PPM(power police mangment) 和APM(application power management)就是一個基于Linux 的開源項目，它推動著一個系統級和應用相關的電源管理軟件系統。(3)在網絡化的系統中，如何進行網絡化能耗管理，在通訊過程中達到能耗最小化，例如研究能耗感知的路由算法，選擇一個最節能路徑，避免不必要的喚醒與睡眠。(4)電源管理的QoS，一個旨在更好的管理硬件系統，以達到性能和功耗平衡的系統。比如CPU的空閑管理，能耗高的Wi-Fi和其他網絡設備管理等。(5)電源管理的測試和分析工具。總之，電源管理技術是一個結合微電子、集成電路、嵌入式系統和軟件的綜合學科，是一個正在快速發展的研究課題。它對電子產品的設計具有關鍵性影響，一個電源管理設計的好產品可以幫助產品在市場競爭中脫穎而出，克敵制勝。

　　參考文獻：

　　1. J. cott Gardner，ARM Cortex-M3 挑戰8位微控制器經濟，Information Quarterly，Number 6, Spring 2007

　　2. 趙永超，Cortex-M3處理器在超低功耗應用的實現策略，ARM Technical Symposiums, 2007

　　3. ARM Limited. ARM1176JZF Development Technical Reference