WinCE節(jié)能降耗新技巧：高效休眠喚醒

　　為了應(yīng)對電源管理面臨的挑戰(zhàn)，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時(shí)需要設(shè)計(jì)多種電源模式，以便在不同工作狀態(tài)時(shí)有多種能耗模式可供選擇。休眠和喚醒功能正是目前WINCW系統(tǒng)開發(fā)的研究熱點(diǎn)之一。那么，休眠喚醒功能是什么原理呢?它能達(dá)到什么樣的效果。這首先要從硬件說起，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式后，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入低功耗休眠模式，只有當(dāng)外部中斷中任意一個(gè)中斷被觸發(fā)或者實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷被觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)被喚醒。

　　一.什么是休眠喚醒功能?

　　(1)什么是WinCE休眠喚醒功能?

　　在WinCE系統(tǒng)中支持多種電源狀態(tài)：①ON狀態(tài)，用戶在主動(dòng)使用設(shè)備。②UserIdle狀態(tài)，用戶與設(shè)備停止交互，但仍有可能使用設(shè)備。③SystemIdle狀態(tài)，在經(jīng)過一段時(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)。④Suspend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)。⑤ColdReboot和Reboot狀態(tài)，冷啟動(dòng)后系統(tǒng)電源狀態(tài)。其中，按功率消耗由小到大可分為睡眠(sleep)、空閑(idle)、運(yùn)行(Run)等模式。大多時(shí)間內(nèi)，在運(yùn)行態(tài)(Run)時(shí)設(shè)備全部正常工作，而在睡眠與空閑模式時(shí)系統(tǒng)則是按照特定的模式進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能。

　　通常，嵌入式系統(tǒng)在大多數(shù)時(shí)間都不需要關(guān)注WinCE 設(shè)備的電源損耗，但是在某些時(shí)候要注意這些損耗。因此，最好的節(jié)能方法是使系統(tǒng)適時(shí)的進(jìn)出休眠狀態(tài)。例如，WinCE系統(tǒng)先檢查任務(wù)負(fù)載情況，如果沒有需要運(yùn)行的任務(wù)，則一般進(jìn)入空閑節(jié)能狀態(tài)等待喚醒，在空閑一段時(shí)間后再進(jìn)入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。當(dāng)WinCE 系統(tǒng)被掛起，為了省電系統(tǒng)需要關(guān)閉CPU處理器及大部分設(shè)備的供電，然后在需要喚醒時(shí)再通過定時(shí)器或中斷模塊喚醒。比如用戶按下On/Off按鈕時(shí)，或者監(jiān)視用戶活動(dòng)的定時(shí)器超時(shí)，或者應(yīng)用程序API都可以使得嵌入式系統(tǒng)休眠。而當(dāng)用戶再次按下On/Off或者有其它喚醒中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用OEMPowerOff()函數(shù)，在系統(tǒng)喚醒后繼續(xù)從OEMPowerOff()被掛起處執(zhí)行。OEMPowerOff函數(shù)能進(jìn)行CPU寄存器保存、設(shè)置及喚醒恢復(fù)等功能。系統(tǒng)Idle狀態(tài)和前面說的UserIdle狀態(tài)是不同概念，前者是CPU負(fù)荷驅(qū)動(dòng)，代表系統(tǒng)空閑;后者是用戶活動(dòng)驅(qū)動(dòng)，代表用戶空閑。

　　(2)休眠喚醒功能的具體內(nèi)容

　　一般來說,WINCE電源狀態(tài)有六種狀態(tài)，分別是S0到S5：S0實(shí)際上這就是我們平常的工作狀態(tài)，所有設(shè)備全開;S1也稱為POS(Power on Suspend)，這時(shí)除了通過CPU時(shí)鐘控制器將CPU關(guān)閉之外，其它的部件仍然正常工作;S2這時(shí)CPU處于停止運(yùn)作狀態(tài)，總線時(shí)鐘也被關(guān)閉，但其余的設(shè)備仍然運(yùn)轉(zhuǎn);S3這就是我們熟悉的STR(Suspend to RAM);S4也稱為STD(Suspend to Disk)，這時(shí)系統(tǒng)主電源關(guān)閉，但是硬盤仍然帶電并可以被喚醒;S5這種狀態(tài)是最干脆的，就是連電源在內(nèi)的所有設(shè)備全部關(guān)閉，即關(guān)機(jī)(Shutdown)。

　　WINCE電源管理休眠和喚醒可實(shí)現(xiàn)以下功能:用戶可以使外設(shè)在指定時(shí)間開關(guān)，或操作系統(tǒng)可以根據(jù)具體需求來分配電能源，或在無人使用時(shí)可以使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，但保證一些通信設(shè)備打開。也就是說，嵌入式系統(tǒng)能夠管理閑置的設(shè)備，關(guān)閉設(shè)備并提供恢復(fù)手段，主要支持三種節(jié)電方式：①Suspend即掛起，顯示屏自動(dòng)關(guān)閉，只是主機(jī)通電。這時(shí)敲任意鍵即可恢復(fù)原來狀態(tài)。②Suspend to Ram 即掛起到內(nèi)存，系統(tǒng)把當(dāng)前信息儲(chǔ)存在內(nèi)存中，只有內(nèi)存等幾個(gè)關(guān)鍵部件通電，這時(shí)系統(tǒng)處在高度節(jié)電狀態(tài)，按任意鍵后系統(tǒng)從內(nèi)存中讀取信息很快恢復(fù)到原來狀態(tài)。③Suspend to Disk即掛起到硬盤，即系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)前將當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上，用戶下次按開關(guān)鍵開機(jī)時(shí)計(jì)算機(jī)將無須啟動(dòng)系統(tǒng)，直接從硬盤讀取數(shù)據(jù)，恢復(fù)原來狀態(tài)。

　　在嵌入式系統(tǒng)中，我們最常用到的是S3狀態(tài)，即Suspend to RAM(掛起到內(nèi)存)狀態(tài)。顧名思義，STR就是把系統(tǒng)進(jìn)入STR前的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)都存放到內(nèi)存中去。在STR狀態(tài)下，電源仍然繼續(xù)為內(nèi)存等最必要的設(shè)備供電，以確保數(shù)據(jù)不丟失，而其它設(shè)備均處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)的耗電量極低。一旦我們按下Power按鈕系統(tǒng)就被喚醒，馬上從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并恢復(fù)到STR之前的工作狀態(tài)。內(nèi)存的讀寫速度極快，因此我們感到進(jìn)入和離開STR狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間不過是幾秒鐘而已。而S4狀態(tài)即STD(掛起到硬盤)與STR的原理是完全一樣的，只不過數(shù)據(jù)是保存在硬盤中。由于硬盤的讀寫速度比內(nèi)存要慢得多，因此用起來也就沒有STR那么快了，但STD模式是一種更省電的高級應(yīng)用，是將當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)保存到硬盤后，硬盤隨即停止轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)再開機(jī)時(shí)系統(tǒng)會(huì)跳過自檢，直接從硬盤恢復(fù)原來的系統(tǒng)狀態(tài)，而不是正常系統(tǒng)的默認(rèn)狀態(tài)，從而縮短了開機(jī)時(shí)間。

　　二.休眠功能的具體實(shí)現(xiàn)過程

　　WinCE休眠可以理解為待機(jī)，是把系統(tǒng)的功耗降到最低，但不是關(guān)機(jī)。讓W(xué)inCE系統(tǒng)進(jìn)入休眠的方法有很多，如在應(yīng)用程序或驅(qū)動(dòng)中調(diào)用SetSystemPowerState函數(shù)。一般來說，對于支持電源管理的驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用此驅(qū)動(dòng)的XXX_PowerDown接口來關(guān)閉設(shè)備電源，之后系統(tǒng)會(huì)再調(diào)用OEMPowerOff()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。OEMPowerOff()函數(shù)由OEM來完成，這個(gè)函數(shù)也許會(huì)位于 Power.c或者Off.c的文件中。OEMPowerOff()是由OEM來實(shí)現(xiàn)的，其代碼和流程也許不同，但基本按照下面的方法來完成：

　　(1)先進(jìn)行休眠前平臺(tái)相關(guān)的動(dòng)作

　　這些相關(guān)的平臺(tái)動(dòng)作包括：為休眠模式設(shè)置合理的GPIO，合理配置實(shí)時(shí)時(shí)鐘在內(nèi)的喚醒源，調(diào)用BSPPowerOFF關(guān)閉休眠時(shí)不必要的設(shè)備電源。比如清屏、設(shè)置AD、掛起USB等。還包括保存芯片所有的寄存器值到一個(gè)靜態(tài)數(shù)組(就是堆棧中)，比如將休眠返回地址或一些不希望在休眠模式下丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。最后，是調(diào)用 CPULCDOff函數(shù)來關(guān)閉LCD背光。

　　(2)調(diào)用 ConfigStopGPIO，設(shè)置各IO休眠后的狀態(tài)

　　這個(gè)動(dòng)作是指保存當(dāng)前GPIO和LCD控制器等信息在內(nèi)存中，設(shè)置GPIO為低功耗狀態(tài)，關(guān)閉kitl LCD等設(shè)備。同時(shí)，呼叫OALCPUPowerOff()進(jìn)行掛起。OALCPUPowerOff()是一個(gè)位于Startup.s中的匯編函數(shù)。通常還包括保存通用寄存器的值到堆棧，如保存Wakeup后的地址、MMU寄存器，并進(jìn)入各模式將sp和lr寄存器保存到內(nèi)存RAM的某一個(gè)位置，這個(gè)位置是由config.bib指定保留的。至于為什么不象之前一樣保存到堆棧呢?是因?yàn)橄到y(tǒng)喚醒后跳轉(zhuǎn)到Reset開始執(zhí)行，這時(shí)候堆棧還沒有初始化，這也是Poweroff過程復(fù)雜的原因。

　　(3)屏蔽所有中斷，清理Cache

　　在設(shè)置好各IO的休眠狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)在中斷屏蔽寄存器中屏蔽所有中斷，然后再清理Cache，做好休眠前的準(zhǔn)備。

　　(4)設(shè)置喚醒中斷，調(diào)用 CPUPowerOff

　　一般來說，喚醒中斷可以是外部中斷0，1，2，或者RTC中斷。在設(shè)置好喚醒中斷后，系統(tǒng)需要再調(diào)用OALCPUPowerOff，并設(shè)置REFRESH讓SDRAM進(jìn)入自刷新模式，然后等待SDRAM自刷新有效，并設(shè)置 MISCCR使 SDRAM 的信號 (SCLK0，SCLK1 and SCKE) 在 Power_OF 模式下被保護(hù)，設(shè)置CLKCON進(jìn)入Power_OFF模式，最終CPU進(jìn)入Poweroff狀態(tài)。但因?yàn)殛P(guān)機(jī)最終也會(huì)調(diào)到OEMPOWEROFF函數(shù)，所以在此函數(shù)中到底去休眠還是關(guān)機(jī)就要自己根據(jù)實(shí)際情況區(qū)分一下了。而且在這個(gè)過程中，最容易出問題的部分是調(diào)用OALCPUPowerOff的過程中，這是由于CPU在休眠期間是會(huì)掉電的。

　　三.喚醒功能的具體實(shí)現(xiàn)流程

　　在休眠狀態(tài)，WINCW系統(tǒng)中消耗的能源會(huì)大幅度降低。那么接下來，就是另一個(gè)艱巨的任務(wù)了：系統(tǒng)喚醒。喚醒系統(tǒng)基本上是個(gè)硬件過程，它和硬件緊密相關(guān)。一般是用一個(gè)外部中斷來喚醒，這就要求休眠的時(shí)候這個(gè)中斷源不能斷電。一般來說，驅(qū)動(dòng)程序里都已經(jīng)做好了PowerUp和PowerDown，當(dāng)然也有些驅(qū)動(dòng)里有不同的處理，如使用PowerOn和PowerOff。但不論何種方式Reset，都是先執(zhí)行Bootloader的代碼，所以喚醒過程需要Bootloader的參與配合。詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)流程如下：

　　(1)通過喚醒源喚醒系統(tǒng)，產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位信號

　　當(dāng)我們細(xì)心觀看WINCE系統(tǒng)由SLEEP到NORMAL的切換時(shí)，中間要經(jīng)過一個(gè) RESET的過程，這個(gè)過程稱之為 Power On Reset。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)被外部中斷喚醒時(shí)，相當(dāng)于發(fā)生了一次Power Reset的過程。那么喚醒系統(tǒng)，就類似于給系統(tǒng)做了一個(gè)硬件復(fù)位，并會(huì)在GSTATUS2中保存一個(gè)數(shù)值來表明Reset的原因。而且，Power On Reset后，在之前Sleep過程中保存下來的RAM里的系統(tǒng)數(shù)據(jù)是不會(huì)丟失的。我們要做的喚醒系統(tǒng)，就是把這些數(shù)值恢復(fù)到它原來的地址里去。

　　(2)測試是否是Power_OFF模式喚醒

　　當(dāng)WINCE系統(tǒng)喚醒之后，它運(yùn)行的第一段程序是什么呢?這點(diǎn)很重要，因?yàn)閱拘?Power Reset，所以Reset CPU之后，運(yùn)行第一段程序自然就是Bootloader了?，F(xiàn)在我們再看看Bootloader是怎么處理的，如果是Reset復(fù)位就會(huì)直接跳轉(zhuǎn)到0地址，也就是ResetHandler去執(zhí)行。事實(shí)上，無論是HardReset還是PowerReset這個(gè)部分都要執(zhí)行，主要是做初始化CPU時(shí)鐘的工作。這是因?yàn)镻ower off模式和其它睡眠模式不同，其它的睡眠模式喚醒后會(huì)從睡眠處繼續(xù)運(yùn)行，而Power off模式喚醒后是從Reset處執(zhí)行。

　　接下來，系統(tǒng)會(huì)通過讀取 GSTATUS2 寄存器里的數(shù)值，來判斷Reset的原因。如果這個(gè)值是0x2，那么就是喚醒引起的PowerReset，然后會(huì)繼續(xù)向下執(zhí)行喚醒的恢復(fù)操作。例如，先是恢復(fù)CPU的時(shí)鐘，開啟RAM的自刷新，再跳轉(zhuǎn)到 RAM中的一個(gè)地址去執(zhí)行Bootloader，然后把NandFlash里的數(shù)據(jù)裝載完畢，也就是說WINCE的操作系統(tǒng)被喚醒了。如果判斷GSTATUS2里的數(shù)值是0x4，則說明發(fā)生了看門狗Reset，那么就要執(zhí)行看門狗Reset的恢復(fù)過程。如果二者都不是的話，那么就認(rèn)為是發(fā)生了Hard Reset，就要按照正常的步驟去加載Wince系統(tǒng)。

　　(3)恢復(fù)SDRAM控制器信息，打開相關(guān)設(shè)備電源

　　系統(tǒng)喚醒的最后一個(gè)步驟，是系統(tǒng)會(huì)設(shè)置MISCCR，釋放SDRAM信號保護(hù)，然后等待直到SDRAM自刷新釋放。并讀取GSTATUS值，利用它們回復(fù)到睡眠前的程序位置。最后是恢復(fù)保存在內(nèi)存中的GPIO和LCD控制器等信息，并調(diào)用BSPPowerOn打開相關(guān)設(shè)備電源，然后返回。