嵌入式Linux系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

　　引 言

　　如何有效地管理嵌入式系統(tǒng)，尤其是移動(dòng)終端的電源功耗，是一個(gè)很有價(jià)值的課題。動(dòng)態(tài)電源管理DPM(Dynamic Power， Management)技術(shù)提供一種操作系統(tǒng)級(jí)別的電源管理能力，包含CPU工作頻率和電壓，外部總線時(shí)鐘頻率，外部設(shè)備時(shí)鐘／電源等方面的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、管理功能。通過用戶層制定策略與內(nèi)核提供管理功能交互，實(shí)時(shí)調(diào)整電源參數(shù)而同時(shí)滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求，允許電源管理參數(shù)在短時(shí)間的空閑或任務(wù)運(yùn)行在低電源需求時(shí)，可以被頻繁地、低延遲地調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)、更智能的電源管理。

　　1 動(dòng)態(tài)電源管理原理

　　CMOS電路的總功耗是活動(dòng)功耗與靜態(tài)功耗之和。當(dāng)電路工作或邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生活動(dòng)功耗，未發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)晶體管漏電流會(huì)造成靜態(tài)功耗：　　

　　式中C為電容，fc為開關(guān)頻率，Vdd為電源電壓，IQ為漏電流。C·Vdd·fc為活動(dòng)功耗；VddIQ為靜態(tài)功耗。在操作系統(tǒng)級(jí)的電源管理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，重點(diǎn)是活動(dòng)功耗。從中可以得出幾種管理活動(dòng)功耗的方法：

　　①電壓／時(shí)鐘調(diào)節(jié)。通過降低電壓和時(shí)鐘來減少活動(dòng)功耗和靜態(tài)功耗。

　?、跁r(shí)鐘選通。停止電路時(shí)鐘，即設(shè)fc為O，讓Pactive為0。將時(shí)鐘從不用的電路模塊斷開，減少活動(dòng)功耗。許多CPU都有“閑置”或“停止”指令，一些處理器還可通過門控關(guān)閉非CPU時(shí)鐘模塊，如高速緩存、DMA外設(shè)等。

　?、垭娫垂?yīng)選通。斷開電路中不使用的模塊電源供應(yīng)。這種方法需要考慮重新恢復(fù)該模塊的代價(jià)。

　　斷開不使用的模塊的時(shí)鐘和電源供應(yīng)可以減少電源消耗，但要能夠正確預(yù)測硬件模塊的空閑時(shí)期。因?yàn)橹匦率鼓苡布K時(shí)鐘和電源會(huì)造成一定延遲，不正確的預(yù)測將導(dǎo)致性能下降。

　　從式(1)可以看出：降低電壓對功耗的貢獻(xiàn)是2次方的；降低時(shí)鐘也可降低功耗，但它同時(shí)也降低性能，延長同一任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。設(shè)2．0 V高壓下的能量消耗為E高=P高·T，則1．0 V低壓下能量消耗為E低=P低·2T(實(shí)踐中頻率近似線性依賴電壓)，再根據(jù)式(1)容易得到P高=8P低。綜合上式可以得出：E高=4E低，所以，選擇滿足性能所需的最低時(shí)鐘頻率，在時(shí)鐘頻率和各種系統(tǒng)部件運(yùn)行電壓要求范圍內(nèi)，設(shè)定最低的電源電壓，將會(huì)大量減少系統(tǒng)功耗。上例中完成任務(wù)所需的能量可以節(jié)約75％。

　　2 硬件平臺(tái)對動(dòng)態(tài)電源管理的支持

　　通過調(diào)節(jié)電壓、頻率來減少系統(tǒng)活動(dòng)功耗需要硬件支持。SoC系統(tǒng)一般有多個(gè)執(zhí)行單元，如PM(電源管理)模塊、OSC(片上晶振)模塊、PLL(鎖相環(huán))模塊、CPU核以及CPU核中的數(shù)據(jù)緩存和指令緩存，其他模塊統(tǒng)稱為外圍模塊(例如1，CD控制器、UART、SDRAM控制器等)。CPU高頻時(shí)鐘主要由PLL提供，同時(shí)PLL也為外圍模塊和SoC總線提供其他頻率時(shí)鐘。一般SoC系統(tǒng)都有一些分頻器和乘法器可以控制這些時(shí)鐘。PM模塊主要是管理系統(tǒng)的電源供應(yīng)狀態(tài)。一般有自己的低頻、高準(zhǔn)確度晶，振，用以維持一個(gè)RTC時(shí)鐘、RTC定時(shí)器和中斷控制單元。其中中斷控制單元使RTC定時(shí)器和外部設(shè)備能夠喚醒掛起的SoC系統(tǒng)。下面以一個(gè)廣泛用于手持設(shè)備的TI0MAPl610處理器為例。

　?、贂r(shí)鐘模塊。OMAPl610提供一個(gè)數(shù)字相控鎖環(huán)(DPLL)，將外頻或晶振輸入轉(zhuǎn)化為高頻，供給OMAP 3．2核以及其他片上設(shè)備。操作DPLL控制寄存器DPLLl_CTL_REG就可以設(shè)置DPLL輸出時(shí)鐘，輔以設(shè)置時(shí)鐘復(fù)用寄存器(MUX)和時(shí)鐘控制寄存器ARM_CKCTL，就能控制MPU和DSP的運(yùn)行頻率，MPU、DSP外設(shè)時(shí)鐘，以及LCD刷新時(shí)鐘，TC_CK時(shí)鐘(Trafflc Control Clock)等。

　?、陔娫垂芾砟K。OMAPl610集成一個(gè)超低功耗控制模塊(ULPD)，用以控制OMAP3．2時(shí)鐘和控制OMAPl610進(jìn)出多種電源管理模式。操作ULPD控制寄存器ULPD_POWER_CTRL，可以設(shè)置處理器電壓、管理運(yùn)行模式。

　　3 嵌入式Linux動(dòng)態(tài)電源管理軟件實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式Linux已被廣泛應(yīng)用在電源功耗敏感的嵌入式設(shè)備上，特別是移動(dòng)手持設(shè)備；因此，設(shè)計(jì)高效、精細(xì)的電源管理技術(shù)是嵌入式Linux開發(fā)成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　3.1動(dòng)態(tài)電源管理實(shí)現(xiàn)原理

　　系統(tǒng)運(yùn)行在常見的幾種不同狀態(tài)，有不同電源級(jí)別要求，其中蘊(yùn)涵著豐富的節(jié)能機(jī)會(huì)。狀態(tài)轉(zhuǎn)化如圖1所示。

　?、傧到y(tǒng)運(yùn)行在任務(wù)、任務(wù)一、任務(wù)+中的任務(wù)狀態(tài)之一，可以響應(yīng)中斷進(jìn)入中斷處理，可以進(jìn)入空閑或睡眠狀態(tài)。不同的任務(wù)要求不同的電源級(jí)別，例如播放MP3可以降低處理器的頻率，而運(yùn)行在線互動(dòng)游戲時(shí)則要求處理器全速運(yùn)行，所以DPM需要在不同任務(wù)中提供電源管理服務(wù)。

　?、谙到y(tǒng)進(jìn)入空閑，這時(shí)可以被中斷喚醒，處理中斷：DPM提供受管理的空閑模式，可以更智能地節(jié)省電源。

　?、巯到y(tǒng)在中斷處理完可以進(jìn)入空閑狀態(tài)，或者從中斷中回到任務(wù)態(tài)。

　?、芟到y(tǒng)在任務(wù)狀態(tài)下可進(jìn)入睡眠模式。系統(tǒng)可掛起到RAM或者其他存儲(chǔ)器中，關(guān)閉外設(shè)，實(shí)現(xiàn)最大限度地省電。通過特定事件(例如定義UART中斷)要求系統(tǒng)退出睡眠模式。

　　綜上所述，可以把動(dòng)態(tài)電源管理分為平臺(tái)掛起／恢復(fù)、設(shè)備電源管理以及平臺(tái)動(dòng)態(tài)管理等三類。平臺(tái)掛起／恢復(fù)目標(biāo)在于管理較大的、非常見的重大電源狀態(tài)改變，用于減少產(chǎn)品設(shè)備在長時(shí)間的空閑之后，減少電源消耗。設(shè)備電源管理用于關(guān)斷／恢復(fù)平臺(tái)中的設(shè)備(平臺(tái)掛起／恢復(fù)以及動(dòng)態(tài)管理中均要用到)；而平臺(tái)動(dòng)態(tài)管理目標(biāo)在于頻繁發(fā)生、更高粒度的電源狀態(tài)改變范圍之內(nèi)的管理。系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)可以細(xì)分為普通任務(wù)和功率受監(jiān)控的任務(wù)。前者電源狀態(tài)是DPM_NO_STATE，不作電源管理；后者對功率敏感，在被調(diào)度時(shí)(參見圖1)可以通過DPM來設(shè)置其電源管理狀態(tài)，要求運(yùn)行在不同的電源級(jí)別。本文重點(diǎn)描述平臺(tái)動(dòng)態(tài)電源管理和設(shè)備電源管理兩類，并將設(shè)備電源管理視為動(dòng)態(tài)電源管理的組成部分