基于Linux的动态电源管理:使嵌入式设备更节能

为了在产品众多、竞争激烈的市场上使产品与众不同，手持设备的制造商们往往把电池寿命和电源管理作为手机、PDA、多媒体播放器、游戏机、其它便携式消费类设备等产品的关键卖点来考虑。用户是从电池寿命这方面来看待电源管理的成效，其实它是多种因素共同作用的结果，这些因素包括 CPU 功能、系统软件、中间件，以及使用户可以在更长的充电或更换电池的间隔时间内享用各自设备的策略。
　　电源管理范围
  　　另外，PDA 的拥有者们还发现，在设备停用一段时间之后，屏幕会变暗，设备甚至进入睡眠状态，而手机用户会注意到，拨号之后，背光和按键照明光熄灭了。在肉眼能够察觉的这些行为的背后，是若干软硬件技术和策略在起作用。

  
   
   　　明显的行为如全速运行、待机和睡眠等，充分利用了 CPU 本身的功能来降低工作电压和/或时钟频率，从而省电。大多数设备用户觉察不到的是，实际的电源管理还可以是渐增的，并且可以每秒发生好几百次，而不是整个系     
   统状态大规模变化。
　　任何动态电源管理 (DPM) 战略开始都是调节便携式设备中存在的一个或多个处理器内核的工作电压和频率--高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86 的系统通常配备一块 DSP 或智能基带处理器。实际上，Intel XScale 和 TI OMAP 等处理器系列提供了内核电压和频率的动态调节。不过，现代嵌入式处理器的用电效率非常高，以至于 CPU 并不总是主要的耗能器件，其它大能耗器件可能包括高性能存储器、彩色显示器和无线接口。因此，动态电源管理系统如果只关注对处理器内核的电压和频率进行调节的话，那么它的用途也许很有限。
　　真正有用的电源管理方案将支持各种电压和时钟的快速调节，既可以与 CPU 内核的运行协同进行，也可以独立进行。
　　架构
　　两种现有的电源管理方案是来自“白箱”PC 及笔记本电脑领域，第一种是传统的“高级电源管理”（Advanced Power Management，简称 APM）方案，仍用于许多基于 Linux 的便携式设备中，而基于微软操作系统的笔记本电脑和手持设备已停止采用这种方案了，第二种是“高级配置和电源接口”（Advanced Configuration and Power Interface，简称 ACPI），这种现行标准得到了英特尔、东芝等公司的支持。对于 PC、笔记本电脑、服务器、甚至面向通信设备的刀片服务器等“商业成品”（commercial off-the-shelf，简称 COTS）硬件，ACPI 等系统更受青睐，不过它们表现出对目前盛行的 x86/IA-32 BIOS 架构的强烈依赖。
  
   
   　　嵌入式系统通常没有 BIOS（在 PC/AT 的意义上），并且通常无法奢侈地配备机器抽象，来把操作系统与低层器件和电源管理活动隔离开来。因此，在嵌入式 Linux 中，就像在其它针对电池供电应用的操作系统一样，电源管理活动需要对操作系统内核以及设备驱动程序做特殊干预。不过请注意一件重要事情，虽然动态电源管理的低层实现是驻留在操作系统内核，但电源管理战略及策略可以源自中间件和用户应用软件代码，实际也是如此。
　　接口和 API
　　理想状况下，电源管理系统对于软件堆栈的尽可能多的层次而言，几乎是完全透明的。实际上，这正是 Transmeta 公司在其 Crusoe 架构中遵循的路线，并且已经成为现有的各种基于 BIOS 的电源管理方案的目标。不过，拥有手持设备制造经验的开发人员将证明这一事实：整个系统的各个部分都需要某种程度的直接参与，如下所述：
　　内核接口  在针对 Linux 的 DPM 架构中，内核中的 DPM 子系统负责维持系统的电源状态，并把 DPM 系统的各个电源得到管理的元件联系在一起。DPM 子系统通过多个 API 直接与设备驱动程序通信，这些 API 把驱动程序从完全运行状态转为各种电源得到管理的状态。策略管理器（或应用软件自身）通过多个 API 向 DPM 子系统提供指导，这些 API 定义各种策略，并在定义好的运行点之间转移整个系统。
　　驱动程序接口   启用了 DPM 的设备驱动程序比默认驱动程序具有更多“状态”：由外部事件通过各种状态来驱动它们，或通过来自内核 DPM 子系统的回调来驱动它们，从而反映并遵循运行策略。驱动程序 API 还允许驱动程序登记它们连接和管理的各个设备的基本运行特征，从而实现更精细的策略决策。
　　用户程序 API    用户程序（应用软件）分为三类：
　　·可感知电源管理的应用软件
　　·可感知电源管理的“包装器”中的传统应用软件
　　·不带电源管理的传统应用软件
　　可感知电源管理的应用软件能够充分利用来自策略管理器的 API，从而建立各自的基础约束，并强制电源管理策略发生变化，以便匹配各自的执行要求。不直接带有电源管理功能的传统应用软件可以“包装”到代码或补丁中，从而实现相当的效果，它们还可以按照默认行为来运行，这取决于更宽范围的默认策略管理。
　　嵌入式 Linux DPM 下的实际机制包括各种 API，比如 dpm_set_os()（内核）、assert_constraint()、remove_constraint() 和 set_operating_state()（内核和驱动程序）、set_policy() 和 set_task_state()（经由系统调用的用户级接口），以及 /proc 接口。
　　借助 DPM 实现节能
　　独特的节能机会
　　DPM 的定义性特征是电源管理的迅速、高频率性质。传统的台式机/笔记本电脑范例的运行速度是以数百毫秒或数秒计，与此不同的是，DPM 使各设备的管理速度只受限于改变供电电压 (T芕) 或 CPU 时钟 (T颇) 所需的时间。
　     
   　在流视频的各帧之间实现节能，是对 DPM 的这一性质的最好写照。高质量的流视频的运行频率是 24 帧/秒，在各帧之间留了 41.66 毫秒的可用时间，用于渲染下一帧和进行其它活动。即使是在运行频率为 40-60MHz 的低功率 CPU 内核心上，41.66 毫秒也代表“很长的时间”，并为电源管理带来了充足的机会。
　　当一帧视频呈现给用户之后，活动按以下方式继续进行：
　　·CPU 请求/索取下一帧压缩视频，它来自本地存储系统或流文件缓冲器--CPU 活动量很低；
　　·压缩图像（经由 DMA 或共享内存）被传输至编解码器（DSP 或其它专用硬件），进行解压/渲染--CPU 活动量中等，编解码器活动量高；
　　·当图像准备就绪，即解压完毕时，CPU 调用视频接口驱动程序--CPU 利用率高，最终的显示器利用率高；
　　·在图像处理的整个过程中，显示器背光都要消耗能量。充分利用视觉暂留或针对图像本身的伽玛调节，该参数也可以降低到一个更适度的消耗级别。
  
   
   　　对视频帧处理的各个阶段期间的能量需求进行总结，得图 2 所示的波形，“线上方的”面积代表潜在的节能。
　　时钟频率调节与电压调节的益处对比
　　CPU 时钟频率调节是嵌入式器件的一种常用省电方式。在给定电压下，与较低的时钟速度相比，较高的时钟速度需要更多的电量才能把逻辑电平推到饱和（克服电容）。而且，时钟频率调节比较容易实现，至少在 CPU内核内部是这样。然而，电压调节带来的益处要大得多--能耗与时钟频率成正比，而几乎是系统电压的立方！
  
   
   　　DPM 本身并不对时钟频率和电压之间的关联做假设。理论上，两项参数均可以独立而连续地改变。
　　实际上，在给定时钟频率下，存在最低可行电压（最低供电电压）--更低的电压无法在要求的周期时间内把逻辑电平推到饱和，而更高的电压只会消耗更多的电。为了简化电源管理算法，DPM 等方案也不去尝试连续改变时钟和电压，而是由设计人员在时钟/电压连续统计上挑选出一系列合理的运行点，并且 DPM 逐点驱动 CPU 和其它电源得到管理的系统器件。
　　开发和部署电源管理面临的挑战
　　面向嵌入式 Linux 的 DPM 是一种正在发展的技术。由于全球开放源代码领域的开发人员所做的贡献，它的核心技术正在进步，但实际应用仍然必须清除一系列“路障”。
　　在所有器件子系统中协调 DPM
　　CPU 时钟和电压引来了一套非常灵活的电源管理参数，这些参数针对设备中的主要耗电器件之一。其它器件（背光、射频等等）也带来了电源管理机会，但有可能导致非常不同的运行点类型和数量。不过，系统中的各种节点完全独立的情况非常少。CPU 连接到总线、桥路、内存，并直接连接到其它外设，而改变一种器件的时钟和电压可能会限制它与邻近器件的电连接和逻辑连接。解决此类不兼容问题的选择方案包括：
　　· 把 CPU 内核和外设编组成块，这些块共享运行点特性
　　· 选择互为倍数的运行点时钟速率
　　· 运用电压变换器/缓冲器或开路集电极电路来缩小电压差异
　　克服电压及频率调节等待时间
　　为了支持 DPM 等积极的节能范例，系统硬件的响应速度必须能够至少象 DPM 策略指导的状态变化的发生速度一样快。也就是说，如果 DPM 系统需要在给定时间内从一个运行点过渡到另一个运行点，电源电路的时钟设定必须能够与这些变化一同发生。
　　换句话说，改变电压所花的时间
　　必须少于运行点之间的过渡时间  ( T芕 < T芆P )。为了实现上述的帧间方案，T芕 必须在 5 毫秒范围内 (200 Hz)。一些直流到直流电源内部运行速度约为 200Hz，在有负载情况下只能交付大约 200 毫秒 (5Hz) 内的电压变化，结果降低了 基于 DPM 的系统的可用解析度和效用。
　　实时影响
　　直到最近，CPU 电压和频率调节仍给实时性能带来了严峻挑战。两种参数中任何一种发生变化都造成了不稳定，“重新锁定”锁相环路和其它动态时钟机制需要时间，这些都造成了很长的等待时间（有时是许多毫秒），在此期间 CPU 既不能执行计算操作，又不能响应外部事件（中断）。
  
   
   　　TI OMAP 和 Intel XScale 等先进嵌入式处理器能够在等待时间以几微秒计的情况下调节频率，并在等待时间以数十微秒计的情况下响应变化的电压，不会中断系统运行，从而实现了更积极、更精细的策略。
　　对实时性能的一个更普遍的挑战是深度睡眠方式期间对中断的响应。大多数片上外设可以设定为在收到中断时“唤醒”系统，不过开发人员必须仔细规定各项策略，来启用（选择性的）基于器件的唤醒，并考虑整个系统的等待时间和存储类别，从而确保及时执行中断处理程序和用户空间对事件的响应（优先等待时间）。
　　参考平台的功能
　　虽然许多 CPU 核心和 SoC（单片系统）的确能够响应频繁的时钟变化和电     
   压变化，但它们所在的参考板通常不能做到这点。事实上，许多 CPU 参考及评估板无法足够快地为 DPM 调节时钟和电压，而且很多板根本不允许对这些参数做任何实时调节！在这些情况下，开发人员必须等待对各自生产硬件的访问，以便衡量各种电源管理方案的益处。
　　嵌入式 Linux 的采用、DPM 和差异化
　　理想情况下，设备用户既不需要了解也不必关心他们购买的手持设备中的底层操作系统。不过，运营商供应的“售后市场”软件正在给予设备制造商的首选操作系统更多的可见度，并正在一个以前不存在品牌的领域创造品牌。尽管品牌创建一直是微软公司的一项重点，但 Windows 系列在手机市场等大批量服务交付市场的普及落在了 Symbian、Brew 的后面，并且现在也落后于多种基于嵌入式 Linux 的新型设计。
  
   
   　　设备制造商转向 Linux 的原因之一是有机会充分利用基于各种标准的电源管理，而不是目前的专有方案。正在发展的动态电源管理功能，伴随着 ARM 公司的 IEM 等电源剖析技术，正在向手机制造商和其他智能设备 OEM 们提供威力强大的新型工具，来增强产品的差异化，实现更快的产品上市时间，并满足最终用户和运营商的技术要求。