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(lái)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(lái)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(wú)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載預(yù)測(cè)，在一個(gè)開(kāi)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)，它無(wú)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(guò)定義操作點(diǎn)(Operation Points，OP)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)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(guó)家半導(dǎo)體(NS)開(kāi)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(guò)智能能量控制器(IEC)的幫助、通過(guò)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(kāi)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(wú)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(wú)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(kāi)發(fā)提出了更高要求。無(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口進(jìn)行交互，與應(yīng)用程序通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)發(fā)送IOCTL_POWER_SET等IOCTLS來(lái)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(lái)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(lái)把系統(tǒng)電源狀態(tài)設(shè)置為需要值。SetDevicePower()用來(lái)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(guò)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(méi)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(méi)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(wú)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(wú)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(guò)估計(jì)下次準(zhǔn)確喚醒時(shí)間來(lái)確保在進(jìn)入深度睡眠時(shí)，不被原來(lái)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(kāi)啟的操作邏輯。

　　用戶通過(guò)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(méi)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(guò)kobject連接起來(lái)形成樹(shù)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(guò)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(guò)將CPU置于halt狀態(tài)，將設(shè)備置于D1狀態(tài)來(lái)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(guò)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(lái)得短。通常情況下嵌入式設(shè)備都沒(méi)有支持這種方式。

　　通過(guò)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(guò)注冊(cè)好的驅(qū)動(dòng)來(lái)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(guò)禁止搶占和“冷凍”所有進(jìn)程來(lái)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(guò)程中可以通過(guò)寫(xiě)入某些特殊的非易失性處理器寄存器來(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)進(jìn)行電源管理。內(nèi)核硬件無(wú)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(lái)保存狀，另外一個(gè)用來(lái)關(guān)閉設(shè)備電源。相反，resume方法需要一個(gè)調(diào)用用來(lái)給設(shè)備供電，另一個(gè)調(diào)用來(lái)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?，F(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(wú)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(guò)編程來(lái)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(méi)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(kāi)放給用戶的電源管理功能還待提升;Linux 是開(kāi)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(guó)際性的問(wèn)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(guò)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

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