嵌入式系統(tǒng)電源管理軟件比較

引言

普適計(jì)算、智能空間等概念前所未有地?cái)U(kuò)展了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗提出了更嚴(yán)格的要求。各種移動(dòng)終端、可穿戴設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等典型嵌入式設(shè)備對(duì)能耗越來越敏感，電源管理技術(shù)正成為這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。電源管理技術(shù)正由傳統(tǒng)的基于電源管理器件和外設(shè)控制為主的靜態(tài)控制方式，轉(zhuǎn)到以具備智能電源管理功能的嵌入式微處理器結(jié)合操作系統(tǒng)為核心的智能管理軟件的動(dòng)靜態(tài)結(jié)合的綜合控制模式。

為了應(yīng)對(duì)電源管理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，芯片廠商推出了效率越來越高的電源管理芯片以及對(duì)能耗管理功能更加強(qiáng)大、精細(xì)的微處理器。以此為基礎(chǔ)，如何設(shè)計(jì)高效、智能的系統(tǒng)軟件對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行能源管理，已成為研究熱點(diǎn)。本文將以典型硬件的電源管理功能為基礎(chǔ)，分析幾種代表性嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理實(shí)現(xiàn)，探討電源管理系統(tǒng)軟件現(xiàn)狀及研究應(yīng)用前景。

電源管理基本概念與方法

在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中，一般采用高效率的電源管理芯片用于供電管理，或采用大容量的電池以解決能耗需求。但這兩種技術(shù)的發(fā)展還無法滿足快速增加的芯片動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。當(dāng)電路工作或邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，未發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)漏電流會(huì)造成靜態(tài)功耗。在供電電壓Vdd下消耗的功率P如公式(1)所示：

P=C*V²_dd*f_C+V_ddI_Q (1)

這里C為電容，f_C為開關(guān)頻率，V_dd為電源電壓，I_Q為漏電流。C*V²_dd*f_C為動(dòng)態(tài)功耗；V_ddI_Q為靜態(tài)功耗。隨著芯片運(yùn)行速度的提高和工藝尺寸的不斷縮小、密度增加，其動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗也在不斷增長(zhǎng)，加劇了電源管理的復(fù)雜性。

有一種方法可以協(xié)調(diào)高性能與低功耗之間的矛盾，就是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行性能調(diào)節(jié)。從公式(1)中我們可以得知，對(duì)一個(gè)給定負(fù)載，動(dòng)態(tài)功耗的量值與供電電壓的平方成正比，與運(yùn)行頻率成正比。減少供電電壓并同時(shí)降低處理器的時(shí)鐘速度，功耗將會(huì)呈平方速度下降，代價(jià)是增加了運(yùn)行時(shí)間。此外，還可以通過停止芯片模塊的時(shí)鐘和電源供應(yīng)的辦法，將能耗降至最低，代價(jià)是重新啟動(dòng)該模塊時(shí)需要額外能耗。因此，通過有效地利用上述能耗管理方法，得到性能和功耗間的最佳平衡，達(dá)到節(jié)能最大化。

嵌入式微處理器對(duì)電源管理的支持

從8位單片機(jī)到32位高性能處理器，都在一定程度上支持電源管理功能。例如處理器支持多種電源狀態(tài)，如圖1所示。系統(tǒng)電源狀態(tài)轉(zhuǎn)化



系統(tǒng)在運(yùn)行態(tài)(Run)時(shí)，設(shè)備全部正常工作。在空閑態(tài)時(shí)，處理器按照特定的模式，進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能。在掛起狀態(tài)下，處理器掛起，主存儲(chǔ)器運(yùn)行在節(jié)能的自刷新模式，只有功耗管理電路、喚醒電路繼續(xù)工作?，F(xiàn)有的單片機(jī)、ARM等32位RISC處理器一般都支持以上模式，下面分別加以介紹。

單片機(jī)的電源管理支持

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用低廉的8/16位單片機(jī)，其電池壽命至關(guān)重要。節(jié)點(diǎn)工作時(shí)按功率消耗由小到大有睡眠(sleep)、空閑(idle)、接收(receive)及發(fā)送(transmit)等四種模式。大多時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)都處于睡眠與空閑模式，只有少量能耗。

ATMEL采用picoPower技術(shù)的AVR微控制器顯著降低了功耗。這些技術(shù)包括一個(gè)超低功耗晶振、睡眠模式下自動(dòng)終止和重激活欠壓檢測(cè)器、能完全停止對(duì)外圍設(shè)備電力供應(yīng)的省電寄存器以及能夠關(guān)閉特定管腳輸入的數(shù)字輸入中斷寄存器。picoPower技術(shù)使工作電流大幅度降低，減少了斷電狀態(tài)下不必要的功耗，使電池使用壽命得到了延長(zhǎng)。

ARM的電源管理技術(shù)

ARM以其優(yōu)秀的低功耗技術(shù)在消費(fèi)類電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ARM實(shí)現(xiàn)了不同級(jí)別的低功耗管理技術(shù)，如表1所示。表1 ARM不同級(jí)別的低功耗管理技術(shù)

據(jù)ARM估計(jì)，32位的Cortex-M3處理器內(nèi)核以0.19mW/MHz(0.18微米)極低的功耗在特殊應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。32位Cortex-M3設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的速度比8位設(shè)備快許多倍，所以活動(dòng)模式中所用的時(shí)間更短，平均功率相應(yīng)降低。其功耗如表2所示。 表2 Cortex-M3能量消耗

高端ARM處理器還支持功能更強(qiáng)大的電源管理功能，通過電壓調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)相結(jié)合，極大地降低功耗，提高能量效率。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)是通過對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載預(yù)測(cè)，在一個(gè)開環(huán)電壓控制系統(tǒng)中用多組能耗級(jí)別的頻率、電壓對(duì)來實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)用一個(gè)閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，它無需配對(duì)的頻率、電壓，能提供更優(yōu)的節(jié)能效果。

例如以TI的 OMAP1610(ARM926E核)處理器為例，內(nèi)部可以調(diào)節(jié)參數(shù)包括：CPU電壓，DPLL頻率控制，CPU頻率控制，交通控制器(TC)，外部設(shè)備控制器，DSP運(yùn)行頻率，DSP MMU頻率，LCD刷新頻率。通過定義操作點(diǎn)(Operation Points，OP)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來抽象表示頻率、電壓等能耗級(jí)別，如表3所示。表3 OMAP1610操作點(diǎn)參數(shù)

其中，192MHz-1.5V操作點(diǎn)參數(shù)1500表示OMAP3.2核心電壓1500mV；16表示DPLL頻率控制12MHz晶振輸入倍頻16倍；1表示分頻為1；1表示OMAP3.2核心分頻為1(所以它運(yùn)行在192MHz)；2表示TC(交通控制器)分頻為2(所以它運(yùn)行在96MHz)；如果使用TI的DSP代碼，則后四個(gè)參數(shù)為不可控，均使用默認(rèn)值。

更先進(jìn)電源管理功能的嵌入式微處理器還有90nm工藝的Marvel PAX300系列，提供更細(xì)顆粒的電源管理技術(shù)(稱為MSPM)，API和驅(qū)動(dòng)程序；飛思卡爾iMX31支持DVFS(動(dòng)態(tài)的電壓和頻率調(diào)節(jié))和DPTC(動(dòng)態(tài)的處理器溫度補(bǔ)償)等技術(shù)，它配合飛思卡爾MC13783和MC34704 IC管理器件，Linux驅(qū)動(dòng)和策略管理代碼，用戶可以方便地構(gòu)建一個(gè)具備優(yōu)秀電源管理能力的嵌入式系統(tǒng)。

ARM 與國家半導(dǎo)體(NS)開發(fā)出了先進(jìn)的能量管理解決方案，智能能量管理器(IEM)預(yù)測(cè)軟件決定了處理器可以運(yùn)行的最低性能級(jí)別，同時(shí)，通過智能能量控制器(IEC)的幫助、通過自適應(yīng)功率控制器(APC)與外部能量管理單元(EMU)一起工作，使處理器運(yùn)行在能保證應(yīng)用軟件正確運(yùn)行的最低電壓和頻率下。

典型嵌入式系統(tǒng)能耗組成

典型嵌入式系統(tǒng)，例如移動(dòng)終端，其能耗主要部件包括嵌入式微處理器(CPU)、內(nèi)存、LCD及背光，電源轉(zhuǎn)換部件，其他部件還可能包括基帶處理器、DSP、外設(shè)控制器等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，CPU占20%~25%，LCD以及背光占用了20％，內(nèi)存占15％，電源轉(zhuǎn)換占5%~10％，其他的組成占用剩余的30%~40%。典型嵌入式系統(tǒng)的能耗組成如圖2所示。



在這些元件中，有些元件性能指標(biāo)和能耗固定；有些元件可在不同時(shí)間工作，并有多種可控的耗能狀態(tài)。后者的有效使用成為系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵所在。

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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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。



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(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)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(duì)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(duì)能耗管理作了定義，其框架如圖4所示。

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。

　　嵌入式Linux內(nèi)核電源管理實(shí)現(xiàn)分析

　　2.6內(nèi)核提供了一個(gè)電源管理框架，在其基礎(chǔ)之上容易實(shí)現(xiàn)各種電源管理規(guī)范，例如ACPI和APM規(guī)范。2.6內(nèi)核中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型(Linux Driver Model，LDM)是內(nèi)核對(duì)電源管理基礎(chǔ)支持。Kobject基本結(jié)構(gòu)嵌入到描述設(shè)備模型的組件的bus、devices、 drivers結(jié)構(gòu)中。這些容器就是通過kobject連接起來形成樹狀結(jié)構(gòu)。每個(gè)對(duì)象的屬性(attribute)以文件形式輸出到kobject對(duì)應(yīng)的sysfs目錄下。通過這種文件系統(tǒng)接口，可以對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效的電源管理。

　　就嵌入式系統(tǒng)而言，電源管理可以分為靜態(tài)電源管理，動(dòng)態(tài)電源管理，設(shè)備電源管理等三個(gè)方面。

　　靜態(tài)電源管理

　　Linux內(nèi)核支持ON, Standby, Suspend, 和Hibernate四種電源狀態(tài)。Standby指“帶電掛起”，通過將CPU置于halt狀態(tài)，將設(shè)備置于D1狀態(tài)來達(dá)到節(jié)能的目的(ACPI規(guī)范中按能耗從高到低分D0~D3)。節(jié)能效果不明顯，但是響應(yīng)延遲最小。Suspend就是掛起到RAM。在該狀態(tài)下，所有設(shè)備被置于D3狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)，除主存處于節(jié)電的自刷新模式(self-refresh)外，全部關(guān)閉電源。響應(yīng)延遲比Standby大。Hibernate 是通過將系統(tǒng)狀態(tài)保存到非易揮發(fā)性存儲(chǔ)中(通常是磁盤)，關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的電源。延遲時(shí)間最長(zhǎng)，但比一次完整啟動(dòng)來得短。通常情況下嵌入式設(shè)備都沒有支持這種方式。

　　通過sysfs文件系統(tǒng)接口觸發(fā)系統(tǒng)級(jí)電源狀態(tài)轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)換管理是通過注冊(cè)好的驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行。例如，prepare函數(shù)確認(rèn)系統(tǒng)能夠進(jìn)入所請(qǐng)求的狀態(tài)，并且進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。例如通過禁止搶占和“冷凍”所有進(jìn)程來準(zhǔn)備進(jìn)入所請(qǐng)求的電源狀態(tài)。Save函數(shù)枚舉所有注冊(cè)有電源管理能力的設(shè)備，保存系統(tǒng)和處理器的低層狀態(tài)。接著PM核心禁止了中斷，關(guān)閉外部設(shè)備電源，調(diào)用Sleep函數(shù)根據(jù)掛起級(jí)別進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在嵌入式設(shè)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(shí)的代碼執(zhí)行地址。系統(tǒng)上電后引導(dǎo)程序先執(zhí)行，從特殊寄存器中判斷系統(tǒng)是否從深度睡眠(Hibernation)中恢復(fù)。如果是，則負(fù)責(zé)從非易揮發(fā)性存儲(chǔ)介質(zhì)中恢復(fù)所有的硬件上下文。如果不是，系統(tǒng)負(fù)責(zé)從sleep()函數(shù)處返回。給所有設(shè)備上電，恢復(fù)中斷。Restore函數(shù)被用來恢復(fù)系統(tǒng)的低層調(diào)用，恢復(fù)設(shè)備上下文。Cleanup函數(shù)從sleep狀態(tài)恢復(fù)必須進(jìn)行的清尾工作，例如搶占重新被允許，系統(tǒng)恢復(fù)正常執(zhí)行。當(dāng)一次完整的轉(zhuǎn)換完成后，CPU執(zhí)行權(quán)還給之前執(zhí)行的進(jìn)程。

　　動(dòng)態(tài)電源管理

　　(1)動(dòng)態(tài)電源管理原理

　　如圖5所示，系統(tǒng)無任務(wù)時(shí)進(jìn)入空閑，可被中斷喚醒，處理完后重新進(jìn)入空閑或者回到任務(wù)態(tài)。如果系統(tǒng)被掛起到RAM中，進(jìn)入深度睡眠?？梢躁P(guān)閉除了中斷控制器和喚醒源之外的所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)最大限度地省電。根據(jù)運(yùn)行時(shí)不同的任務(wù)負(fù)載，系統(tǒng)應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的不同電源級(jí)別。如圖示中的任務(wù)、任務(wù)-、任務(wù)+等代表電源需求的狀態(tài)。在完成任務(wù)的同時(shí)，進(jìn)行最大化的節(jié)能。

圖5 操作狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換

　　(2)動(dòng)態(tài)電源管理設(shè)計(jì)

　　在Linux架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理，需要(1)用戶層的管理策略;(2)內(nèi)核模塊需要為應(yīng)用層提供的接口;(3)硬件無關(guān)的通用電源管理邏輯控制框架;(4)管理特定硬件的平臺(tái)相關(guān)電源控制層。

　　用戶層策略通過sysfs文件系統(tǒng)接口(或proc文件系統(tǒng)接口)以及系統(tǒng)調(diào)用接口(APIs)來進(jìn)行電源管理。內(nèi)核硬件無關(guān)層提供電源管理邏輯控制，針對(duì)任務(wù)負(fù)載情況選擇反映當(dāng)前任務(wù)電源狀態(tài)的電源操作點(diǎn)(相關(guān)可控的硬件參數(shù))。內(nèi)核硬件相關(guān)層主要對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的各種總線和設(shè)備時(shí)鐘電源參數(shù)管理，并管理多種設(shè)備的參數(shù)約束。

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源管理

　　在某些設(shè)備閑置時(shí)可以被主動(dòng)關(guān)閉，從而節(jié)電。在2.6內(nèi)核中需要實(shí)現(xiàn)總線以及設(shè)備的電源管理支持，在驅(qū)動(dòng)中需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的suspend/resume函數(shù)。

　　關(guān)閉一個(gè)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)的suspend方法需要兩個(gè)不同的調(diào)用，一個(gè)用來保存狀，另外一個(gè)用來關(guān)閉設(shè)備電源。相反，resume方法需要一個(gè)調(diào)用用來給設(shè)備供電，另一個(gè)調(diào)用來恢復(fù)設(shè)備的狀態(tài)。在關(guān)閉一個(gè)總線設(shè)備時(shí)必須關(guān)閉所有的下一級(jí)子設(shè)備。相反地，重新使能總線設(shè)備時(shí)，必須先使能根設(shè)備，然后再使能子設(shè)備。

　　用戶層電源管理策略

　　嵌入式系統(tǒng)如何做到有效的平臺(tái)級(jí)能耗管理需要在內(nèi)核提供的機(jī)制上實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能化的管理軟件，監(jiān)控系統(tǒng)電源狀態(tài)，處理相應(yīng)電源事件，執(zhí)行針對(duì)特定應(yīng)用制定的管理策略。現(xiàn)有的Linux ACPI和APM的后臺(tái)駐留進(jìn)程，可以供嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參考。商業(yè)的嵌入式linux 公司MontaVista 在其Moblinux 4.0以后的版本也提供一個(gè)用戶態(tài)的電源管理策略和界面。

　　嵌入式操作系統(tǒng)電源管理實(shí)現(xiàn)比較

　　嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，主要可以分為核心層、接口層、應(yīng)用策略管理層。核心層需要提供一個(gè)體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的電源管理框架，感知系統(tǒng)負(fù)載，進(jìn)行系統(tǒng)電源狀態(tài)管理。核心層還需要一個(gè)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層，提供硬件相關(guān)的電源狀態(tài)管理，例如進(jìn)行電壓/頻率調(diào)節(jié)及相應(yīng)的約束管理。核心層還需要提供一個(gè)用戶編程接口，用戶層通過編程來利用系統(tǒng)提供的電源管理機(jī)制。并且根據(jù)不同的應(yīng)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(tǒng)級(jí)電源管理，(2)動(dòng)態(tài)電源管理，(3)設(shè)備電源管理等三類。操作系統(tǒng)檢查任務(wù)負(fù)載情況，如果沒有需要運(yùn)行的任務(wù)，則一般進(jìn)入空閑等節(jié)能狀態(tài)，等待喚醒?？梢栽诳臻e一段時(shí)間后進(jìn)入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。在運(yùn)行任務(wù)期間，操作系統(tǒng)還可以利用硬件提供的電源管理功能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片運(yùn)行電壓和頻率，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加細(xì)致的電源管理。操作系統(tǒng)還應(yīng)該能夠管理閑置的設(shè)備，關(guān)閉設(shè)備并提供恢復(fù)手段。

　　上面我們分析的三種典型的嵌入式操作系統(tǒng)在電源管理方面是各有特色;TinyOS 簡(jiǎn)練小巧有基本的內(nèi)核態(tài)和系統(tǒng)級(jí)的電源管理功能，但是相對(duì)比較簡(jiǎn)單;WindowsCE電源管理模塊結(jié)構(gòu)清楚，特別有提供了應(yīng)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(dòng)態(tài)的電源管理功能，但是相當(dāng)實(shí)現(xiàn)的零散和分散，應(yīng)用軟件的接口不清晰和標(biāo)準(zhǔn)，需要用戶作的工作比較多。

　　總結(jié)和展望

　　消費(fèi)類電子如近年流行的智能手機(jī)、GPS、移動(dòng)電視都迫切需要高效的電源管理，傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要電源管理，以便大規(guī)模部署，全球變暖等國際性的問題也對(duì)電子產(chǎn)業(yè)節(jié)能和環(huán)保提出了更高的要求?，F(xiàn)有的能源管理技術(shù)中還有許多問題有待于研究和解決，例如，(1)設(shè)計(jì)更加節(jié)能的芯片，減少系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，半導(dǎo)體制造工藝的改進(jìn)，在芯片級(jí)別進(jìn)行更好性能監(jiān)測(cè)，通過設(shè)計(jì)優(yōu)良的負(fù)載預(yù)測(cè)算法，在系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)能耗級(jí)別進(jìn)行更加精細(xì)調(diào)節(jié)。(2)在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)上需要規(guī)范定義一個(gè)適合應(yīng)用體系的框架結(jié)構(gòu)，比如Intel 發(fā)起的PPM(power police mangment) 和APM(application power management)就是一個(gè)基于Linux 的開源項(xiàng)目，它推動(dòng)著一個(gè)系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用相關(guān)的電源管理軟件系統(tǒng)。(3)在網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)中，如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化能耗管理，在通訊過程中達(dá)到能耗最小化，例如研究能耗感知的路由算法，選擇一個(gè)最節(jié)能路徑，避免不必要的喚醒與睡眠。(4)電源管理的QoS，一個(gè)旨在更好的管理硬件系統(tǒng)，以達(dá)到性能和功耗平衡的系統(tǒng)。比如CPU的空閑管理，能耗高的Wi-Fi和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理等。(5)電源管理的測(cè)試和分析工具?？傊?，電源管理技術(shù)是一個(gè)結(jié)合微電子、集成電路、嵌入式系統(tǒng)和軟件的綜合學(xué)科，是一個(gè)正在快速發(fā)展的研究課題。它對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵性影響，一個(gè)電源管理設(shè)計(jì)的好產(chǎn)品可以幫助產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，克敵制勝。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　2. 趙永超，Cortex-M3處理器在超低功耗應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)策略，ARM Technical Symposiums, 2007

　　3. ARM Limited. ARM1176JZF Development Technical Reference