數(shù)碼電源管理：Windows Mobile電源管理分析與實(shí)現(xiàn)

如今在以數(shù)碼消費(fèi)產(chǎn)品為代表的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，大多數(shù)系統(tǒng)采用電池供電，由于電池容量有限，這使得實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低功耗，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間成為一個(gè)重要的課題。在已確定硬件電路功耗的情況下，提高電池電源的使用效率是實(shí)現(xiàn)低功耗的一個(gè)重要任務(wù)，其基本思想是在系統(tǒng)中沒有任務(wù)等待運(yùn)行時(shí)，把系統(tǒng)置于盡可能低的能量狀態(tài)，等到有任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，再將其快速喚醒，盡可能有效地利用功耗。

1 Windows Mobile中的電源管理

WinCE系列操作系統(tǒng)中的電源管理模塊正是出于后者的考慮而出現(xiàn)的，圖1為電源管理(Power Manager)的運(yùn)行機(jī)制。該模塊根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，以CPU為中心，管理器件和外設(shè)的功耗狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同電源狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，從而在保證系統(tǒng)性能的前提下降低功耗。而Windows Mobile系統(tǒng)針對(duì)其專用于移動(dòng)通信平臺(tái)的特點(diǎn)，對(duì)電源管理部分做了進(jìn)一步的定制，使其具有更好的效能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的電源效率。

Power Manager的實(shí)現(xiàn)在軟件上需要OS內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)層及應(yīng)用層的協(xié)作，對(duì)于預(yù)先定義好的系統(tǒng)電源狀態(tài)，Power Manager將這些狀態(tài)映射到具體的CPU電源狀態(tài)和設(shè)備電源狀態(tài)，在系統(tǒng)電源狀態(tài)切換時(shí)就會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的CPU和外設(shè)的電源狀態(tài)切換操作。

1．1 電源管理與系統(tǒng)其他部分的交互

在Windows Mobile中Power Manager以名為PM．dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫形式在啟動(dòng)時(shí)被設(shè)備管理器De-vice．exe加載，如圖2所示。

應(yīng)用程序可通過API申請(qǐng)將系統(tǒng)電源置于一定的狀態(tài)，同時(shí)也可申請(qǐng)將指定設(shè)備設(shè)置于特定的電源狀態(tài)，應(yīng)用程序也可以申請(qǐng)電源狀態(tài)通知，以便在系統(tǒng)電源狀態(tài)切換時(shí)收到消息以執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。當(dāng)需要切換系統(tǒng)電源狀態(tài)時(shí)，電源管理模塊與電源管理的設(shè)備通信，進(jìn)而調(diào)用這些設(shè)備的電源相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的電源管理，同時(shí)如果有應(yīng)用程序或設(shè)備驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)了電源狀態(tài)通知，則電源管理模塊會(huì)向消息隊(duì)列中發(fā)送消息。

1．2 Windows Mobile中的電源狀態(tài)以及狀態(tài)間的切換

Windows Mobile有兩個(gè)版本，SmartPhone和Pocket PC，這里采用是Windows Mobile 6的PocketPC，它定義了以下幾個(gè)電源狀態(tài)(Windows Mobile的電源狀態(tài)是不能像WinCE那樣再定制的)：

ON：用戶與系統(tǒng)交互時(shí)的狀態(tài)；

Backlight OFF：在一段時(shí)間內(nèi)(默認(rèn)15 s)，如果一直沒有用戶操作就關(guān)閉背光，這時(shí)其他的設(shè)備都沒變化；

Screen OFF：一般由某些程序指定，才進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。比如音樂播放器程序，當(dāng)你聽音樂時(shí)按下某個(gè)鍵可以將屏幕關(guān)閉；

Suspend：Pocket PC的睡眠模式，幾乎所有設(shè)備都被關(guān)閉，直到某個(gè)硬件設(shè)備觸發(fā)中斷才將系統(tǒng)喚醒，這是Pocket PC系統(tǒng)中功耗最低的一個(gè)狀態(tài)，對(duì)這個(gè)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)直接影響到待機(jī)時(shí)間；

Resuming：Pocket PC被喚醒后的狀態(tài)，這時(shí)屏幕是關(guān)閉的，并啟動(dòng)一個(gè)15 s的計(jì)時(shí)器，在這段時(shí)間內(nèi)決定接下來進(jìn)入哪個(gè)狀態(tài)，如果計(jì)時(shí)器超時(shí)則重新回到睡眠狀態(tài)；

Unattended：這個(gè)狀態(tài)只在Pocket PC中被使用，用戶對(duì)其不會(huì)有所察覺，即程序在后臺(tái)執(zhí)行。

這里可以用系統(tǒng)電源狀態(tài)機(jī)來簡(jiǎn)單地描述Win-dows Mobile的電源管理策略。以Pocket PC為例，系統(tǒng)電源狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

系統(tǒng)內(nèi)部的電源管理器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換主要由計(jì)時(shí)器超時(shí)(Timeout)、電源鍵事件(ON／OFF Event)、用戶操作(User Activity)等方式觸發(fā)。

2 PXA270平臺(tái)上電源管理的實(shí)現(xiàn)

電源管理的實(shí)現(xiàn)，涉及到系統(tǒng)中軟件硬件的互相配合。對(duì)于軟件來說，涉及到各個(gè)層面，包括Windows Mobile內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這二者主要負(fù)責(zé)電源管理在處理器和物理外設(shè)等硬件上的實(shí)現(xiàn)，另外有些應(yīng)用程序也會(huì)有涉及，這主要是系統(tǒng)電源狀態(tài)與具體應(yīng)用需求之間的協(xié)調(diào)。這里應(yīng)用的平臺(tái)是開發(fā)的基于PXA270的Windows Mobile智能手機(jī)平臺(tái)，該平臺(tái)搭載了NXP的基帶處理器及其外圍電路。以實(shí)現(xiàn)GSM通信。另外，還有藍(lán)牙、攝像頭等功能模塊，因此對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行電源管理優(yōu)化是十分必要的。

2．1 內(nèi)核電源管理的實(shí)現(xiàn)

2．1．1 Suspend／Restlume模型

對(duì)于SmartPhone，采用的是AlwaysOn模型，只是在工作一段時(shí)間后關(guān)閉背光和屏幕，但是系統(tǒng)仍在運(yùn)行。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的是Pocket PC，采用Suspend／Re-sume模型，在系統(tǒng)處于空閑時(shí)，可將系統(tǒng)置于Staspend狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)處于最低的功耗狀態(tài)，在必要時(shí)再將其喚醒。在兩個(gè)模型之間需要權(quán)衡，雖然Always On沒有休眠模式，但是Suspend／Resume在Suspend和ON之間切換也是需要消耗大量能量的。系統(tǒng)電源狀態(tài)的切換最終會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核中OEM函數(shù)的調(diào)用，下面重點(diǎn)介紹內(nèi)核中電源管理的實(shí)現(xiàn)，在Windows Mobile的樣例BSP中有示例代碼框架在Off．c和Xllp_SuspendAn-dResume．c可供參考。

2．1．2 Suspend流程

在平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上，切換至Suspend狀態(tài)時(shí)會(huì)調(diào)用OEMPowerOff函數(shù)，此時(shí)會(huì)將外設(shè)關(guān)閉，將PXA270處理器置于sleep模式，OEMPowerOff中Suspend的具體流程，即Xllp_SuspendAndResume函數(shù)如下：

(1)設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR的I位和F位，以禁止IRQ和F1Q中斷；

(2)根據(jù)第一步中獲得的地址，將Power，Inter-rupt，GPIO，CLOCK等硬件平臺(tái)及OS相關(guān)的寄存器保存在Xllp_SuspendAndResume函數(shù)的全局變量中，即將這些寄存器的值保存于SDRAM中；

(3)保存ARM架構(gòu)下處理器模式的相關(guān)寄存器值，除了User模式的6種處理器模式，需保存的是SP，LR，和SPSR。另外，F(xiàn)IQ模式還需保存R8～R12。為了使用stmdb批拷貝指令，在此使用“偽堆棧”，即用SDRAM中的物理空間來模擬堆棧；

(4)配置MDREFR寄存器，設(shè)置好SDRAM的自刷新頻率。在sleep模式下，SDRAM將處于自刷新狀態(tài)以維持之前保持的狀態(tài)數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)喚醒時(shí)恢復(fù)到sus-pend之前的狀態(tài)；

(5)利用PSPR寄存器來保存Resume參數(shù)的物理地址，如重啟原因、睡眠模式等，PSPR的數(shù)據(jù)在sleep時(shí)不會(huì)丟失；

(6)配置PWER，PRER或PFER寄存器，以使能特定的喚醒源，這里設(shè)置RTC、來電RING中斷和電源鍵的喚醒；

(7)保存當(dāng)前處理器模式的狀態(tài)寄存器，保存MMU寄存器，保存Restlme的返回地址XllpRes-umePhase3，回寫Cache，配置CP14寄存器CR7，讓處理器進(jìn)入sleep模式。到此，PXA270進(jìn)入sleep模式，系統(tǒng)處于Suspend電源狀態(tài)。

2．1．3 Resume流程

總的說來，Resume流程與Suspend是相反的，處理器初始化之后，會(huì)載入Suspend之前保存在SDRAM中的各種狀態(tài)參數(shù)，恢復(fù)之前狀態(tài)，其流程簡(jiǎn)要介紹如下：

(1)當(dāng)已使能的喚醒事件發(fā)生時(shí)。處理器會(huì)從BootLoader啟動(dòng)，進(jìn)行基本的硬件初始化之后。會(huì)判斷是Reset，還是sleep Resume，如果是后者，則會(huì)跳轉(zhuǎn)到Xllp_ResumePhase2A；

(2)在Xllp_ResumePhase2A中首先會(huì)將保存在PSPR中的參數(shù)取出，檢查無錯(cuò)誤后，重新配置好MMU，載入處理器狀態(tài)寄存器和堆棧，跳轉(zhuǎn)至XllpRe-sumePhase3；

(3)在XllpResumePhase3載入所在環(huán)境的處理器狀態(tài)寄存器，接著逐級(jí)返回至OEMPowerOff函數(shù)，在OEMPowerOff函數(shù)中會(huì)獲得喚醒源，然后退出；

(4)此時(shí)系統(tǒng)由Power Manager置于Resuming狀態(tài)，Power Manager 根據(jù)喚醒源判斷是否將系統(tǒng)置于ON，還是繼續(xù)Suspend。

此時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)已經(jīng)恢復(fù)至睡眠之前，結(jié)束了Re-sume流程，完成對(duì)系統(tǒng)的喚醒。

2．2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源管理的實(shí)現(xiàn)

除了對(duì)處理器的電源管理，Power Manager還有一個(gè)主要工作就是平臺(tái)上設(shè)備的電源管理。對(duì)于只有ON和OFF兩種電源狀態(tài)的設(shè)備，Power Manager通過DeviceIOControl在Suspend和Resuming時(shí)分別調(diào)用各設(shè)備驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的PowerUp和PowerDown函數(shù)，以開啟和關(guān)閉設(shè)備。在該平臺(tái)上大多數(shù)設(shè)備都屬于這種管理方式，包括LCD，Aladio Codec等，這些工作主要是在Wince流驅(qū)動(dòng)的IOControl中執(zhí)行一些開啟或者關(guān)閉處理器I／O電源的操作。

對(duì)于GSM和藍(lán)牙等較復(fù)雜的設(shè)備，需要能及時(shí)喚醒，如在系統(tǒng)Suspend來電時(shí)，GSM模塊需快速喚醒并做出響應(yīng)，因此這些設(shè)備也支持sleep等模式。在進(jìn)入Suspend會(huì)相應(yīng)調(diào)用這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)的sleep函數(shù)，進(jìn)入設(shè)備的省電模式，而在Resuming時(shí)也會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的退出sleep的函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速喚醒。

2．3 應(yīng)用程序電源管理的實(shí)現(xiàn)

在此以自己編寫的基于DirectDraw的照相程序?yàn)槔齺碚f明應(yīng)用程序中電源管理的實(shí)現(xiàn)。

首先，在開啟照相程序時(shí)，預(yù)覽一段時(shí)間沒有操作后，不希望按照定時(shí)器的值進(jìn)入Suspend，此時(shí)需定時(shí)修改SuspendTimeout，以阻止系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。具體做法是：?jiǎn)?dòng)一個(gè)30 s的定時(shí)器，每30 s調(diào)用一次SystemIdleTimerReset函數(shù)。另外，由于該照相程序是Overlay顯示效果，在進(jìn)入拍照程序后，如果按下電源鍵進(jìn)入Suspend狀態(tài)，再喚醒時(shí)系統(tǒng)仍處于拍照程序，但是由于PXA270的LCDController沒有再次創(chuàng)建Overlay層，因此程序不能顯示圖像。從使用者的角度考慮，在系統(tǒng)Reume之后照相程序應(yīng)能恢復(fù)正常。做法如下：在程序中創(chuàng)建一個(gè)線程，用CreateMsgQueue創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列，調(diào)用RequestPowerNotifications申請(qǐng)獲得電源管理消息，然后調(diào)用WaitForSingleOb-ject等待通知，當(dāng)收到Suspend的消息時(shí)，對(duì)程序窗口發(fā)送重新初始化Overlay的消息，在Resume后，程序會(huì)馬上執(zhí)行重新初始化的流程，照相程序恢復(fù)正常。

3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)幾個(gè)典型電源狀態(tài)的電流值做了測(cè)量，數(shù)據(jù)如表1所示。

4 結(jié) 語

對(duì)于1 200 mA／h的電池，該智能手機(jī)平臺(tái)能達(dá)到160 h左右的理論待機(jī)時(shí)間，以及3 h左右的通話時(shí)間。另外，睡眠及喚醒的響應(yīng)時(shí)間也在1 s左右，表明Power Manager達(dá)到了提高電池電源使用效率的目標(biāo)，基本滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。