用于便攜式設(shè)備動(dòng)態(tài)電源管理的嵌入式Linux技術(shù)

任何擁有筆記本電腦的人都會(huì)察覺，當(dāng)依靠電池供電時(shí)，其便攜設(shè)備的行為與使用交流主電源供電時(shí)不同――顯示屏變暗、處理器的時(shí)鐘變慢、系統(tǒng)只要有可能就會(huì)轉(zhuǎn)入待機(jī)或睡眠狀態(tài)。PDA用戶也發(fā)現(xiàn)，在停止使用一段時(shí)間后顯示屏將變暗，設(shè)備甚至進(jìn)入睡眠狀態(tài)。蜂窩電話用戶也已經(jīng)注意到，背景光和按鍵照明在完成撥號(hào)之后會(huì)熄滅。事實(shí)上，這些可見行為的背后是軟硬件技術(shù)和節(jié)電機(jī)制在發(fā)揮作用。

全速運(yùn)行、待機(jī)和睡眠等宏觀行為利用CPU的固有能力通過降低工作電壓或時(shí)鐘頻率來節(jié)省功耗。除了全面地改變系統(tǒng)狀態(tài)外，大多數(shù)設(shè)備用戶察覺不到的是，實(shí)際的電源管理也能夠逐漸地改變系統(tǒng)狀態(tài)，這種情況在一秒之內(nèi)可以發(fā)生數(shù)百次。

任何動(dòng)態(tài)電源管理策略的基礎(chǔ)都是調(diào)整便攜式設(shè)備中一個(gè)或多個(gè)處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率，此外，在高集成度的PowerPC、ARM和基于x86的系統(tǒng)中經(jīng)常包含一個(gè)DSP或智能基帶處理器。的確，諸如英特爾的StrongARM和XScale處理器、TI的OMAP處理器系列以及IBM的PowerPC 405LP和Transmeta Crusoe等CPU都提供內(nèi)核電壓和頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能。不過，現(xiàn)代的嵌入式處理器具有非常高的電源效率，以至于CPU并不總是最主要的耗能器件，其它高耗能的器件包括高性能存儲(chǔ)器、彩色顯示器和射頻接口等。因此，如果動(dòng)態(tài)電源管理系統(tǒng)只能調(diào)節(jié)處理器內(nèi)核的電壓和頻率，那么它的用途將有限。

一個(gè)真正有用的動(dòng)態(tài)電源管理方案應(yīng)該可以采用與CPU內(nèi)核運(yùn)行相協(xié)調(diào)或相獨(dú)立的方式，支持對(duì)一系列電壓和時(shí)鐘的快速調(diào)節(jié)。

DPM架構(gòu)

兩個(gè)現(xiàn)有的電源管理方案分別來自于PC和筆記本電腦領(lǐng)域：一個(gè)是傳統(tǒng)的高級(jí)電源管理(APM)方案，它目前仍然使用在許多基于Linux的便攜設(shè)備中，但在基于微軟操作系統(tǒng)的筆記本電腦和手持設(shè)備中已經(jīng)被逐步淘汰；另一個(gè)是高級(jí)配置和電源接口(ACPI)方案，它是英特爾、東芝和其他一些公司支持的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。在PC、筆記本電腦、服務(wù)器、甚至刀片式通信設(shè)備等商業(yè)硬件中，類似ACPI的系統(tǒng)是人們的首選，但它強(qiáng)烈依賴于流行的x86/IA-32 BIOS 架構(gòu)。

嵌入式系統(tǒng)通常沒有類似于PC中的BIOS，而且通常不具備那么高的機(jī)器抽象水平，能夠把操作系統(tǒng)與低層次的設(shè)備和電源管理活動(dòng)隔離開來。與其它瞄準(zhǔn)電池供電應(yīng)用的操作系統(tǒng)類似，在嵌入式Linux中，電源管理活動(dòng)需要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行特殊的干預(yù)。不過，需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，雖然低層次的動(dòng)態(tài)電源管理是駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，但電源管理策略和機(jī)制是來源于中間件和用戶應(yīng)用代碼。

接口和API

理想的電源管理系統(tǒng)應(yīng)盡可能對(duì)更多軟件堆棧層達(dá)到幾乎完全透明的程度。事實(shí)上，這是Transmeta公司在其Crusoe架構(gòu)中所遵循的路線，而且已經(jīng)成為基于BIOS的現(xiàn)有電源管理方案追求的目標(biāo)。然而，具備手持設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員證實(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間需要某種程度的直接合作，具體描述如下：

內(nèi)核接口

在面向Linux的DPM架構(gòu)中，內(nèi)核中的DPM子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持整個(gè)系統(tǒng)的電源狀態(tài)，并把DPM系統(tǒng)的不同電源管理模塊聯(lián)系在一起。如果內(nèi)核的任何其它部分需要與DPM直接對(duì)話(盡管這種情況相對(duì)較少)，那么最好把DPM看成是為驅(qū)動(dòng)程序、中間件和應(yīng)用程序提供服務(wù)的元素。

驅(qū)動(dòng)程序接口

支持DPM功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序比默認(rèn)的驅(qū)動(dòng)程序更了解系統(tǒng)狀態(tài)：它們?cè)谕獠渴录尿?qū)使下通過設(shè)定不同的狀態(tài)來反映或遵循那些操作機(jī)制，或者通過來自內(nèi)核 DPM子系統(tǒng)的調(diào)用來反映或遵循那些操作機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)更精確的機(jī)制決策，驅(qū)動(dòng)程序API也允許驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)與它們接口或由它們管理的那些設(shè)備的基礎(chǔ)操作特征。

應(yīng)用程序API

應(yīng)用程序可以分為三類：

*電源管理知會(huì)型(PM-aware)應(yīng)用程序

*在電源管理知會(huì)“包裹器”中的傳統(tǒng)應(yīng)用程序

*不帶有電源管理的傳統(tǒng)應(yīng)用程序

電源管理知會(huì)型應(yīng)用程序能夠利用機(jī)制管理器提供的API，建立其基本的約束條件，并強(qiáng)迫電源管理機(jī)制發(fā)生與其執(zhí)行需求相匹配的變化。不直接帶有電源管理能力的傳統(tǒng)應(yīng)用程序能夠被“包裹”在代碼或補(bǔ)丁中，以達(dá)到較高的效率，但它們也能夠根據(jù)更大范圍的默認(rèn)機(jī)制管理，按默認(rèn)的行為運(yùn)行。

在嵌入式Linux DPM下的實(shí)際機(jī)制包括以下API，如dpm_set_os()(內(nèi)核)、assert_constraint()、remove_constraint ()和set_operating_state()(內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序)、set_policy()和set_task_state()(經(jīng)系統(tǒng)的用戶級(jí)調(diào)用)以及/proc接口。

對(duì)實(shí)時(shí)性能的影響

迄今為止，調(diào)整CPU電壓和頻率對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能而言依然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。任何參數(shù)的改變都將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，重新鎖定鎖相環(huán)和其它動(dòng)態(tài)時(shí)鐘機(jī)制也需要相應(yīng)的時(shí)間，這兩個(gè)因素將使系統(tǒng)的響應(yīng)出現(xiàn)長延時(shí)(有時(shí)達(dá)到數(shù)十毫秒)，在此期間，CPU既不能執(zhí)行計(jì)算操作，也不能對(duì)外部事件(中斷)做出響應(yīng)。

TI的 OMAP、英特爾的Xscale和IBM的PowerLP等嵌入式處理器能夠在十幾毫秒的延時(shí)內(nèi)調(diào)整頻率，在數(shù)十毫秒的延時(shí)內(nèi)改變電壓，而且所有這些動(dòng)作都不會(huì)中斷系統(tǒng)的操作，從而允許實(shí)現(xiàn)更大膽和更精確的節(jié)電機(jī)制。例如，在處理MPEG視頻幀或IP語音包的過程中可以降低電壓和頻率。

實(shí)時(shí)性能面臨的一個(gè)更普遍的挑戰(zhàn)是，如何在睡眠模式期間對(duì)中斷做出響應(yīng)。雖然通過編程，大多數(shù)片上外圍元件在收到中斷之后都可以喚醒系統(tǒng)，但開發(fā)者必須謹(jǐn)慎地定義用于喚醒設(shè)備的機(jī)制，并把整個(gè)系統(tǒng)的延時(shí)和存儲(chǔ)器類別考慮在內(nèi)，以確保處理中斷的執(zhí)行時(shí)間和用戶空間對(duì)事件的響應(yīng)(優(yōu)先延時(shí))。

向嵌入式Linux發(fā)展的趨勢

理想情況下，用戶既無需知道也無需關(guān)心支撐其手持設(shè)備的底層操作系統(tǒng)。現(xiàn)在，設(shè)備制造商對(duì)操作系統(tǒng)有了更多的選擇余地。雖然微軟一直非常重視品牌，但 Windows系列操作系統(tǒng)進(jìn)入手持設(shè)備市場(如蜂窩電話)的規(guī)模卻落后于Symbian和Brew，也落后于嵌入式Linux。設(shè)備制造商轉(zhuǎn)向 Linux的原因之一是可以利用標(biāo)準(zhǔn)的電源管理技術(shù)替代專有技術(shù)，這樣既能達(dá)到更快的上市時(shí)間，同時(shí)又能滿足終端用戶和運(yùn)營商的技術(shù)需求。