Linux下的动态电源管理(DPM)技术分析

在手持设备设计中，电源管理历来为重要的研究课题之一。我们日常所说的省电就属于电源管理的范畴，这也是我们最关心的一个部分。通过挂起不必要的设备、降低CPU的频率或者其它方法，可以减少能量的消耗，达到省电的目的。电源管理实际上是一个系统工程，从应用程序到内核框架，再到设备驱动和硬件设备，都要参与进来，才能达到电源管理的最优化。本文介绍一下动态电源管理(DPM)。
 
所谓的动态电源管理(DPM)是一种电源管理机制，它允许在系统运行时动态的管理电源，这可能是相对于传统的电源管理方式而言的，传统的电源管理方式要求系统要么挂起（suspend）以节省能源，要么恢复(resume)运行让程序正常工作，这个过程通常要用户参与(如按键)，而且这种状态切换非常缓慢。在动态电源管理(DPM)中，系统一方面可以关闭暂时不使用的设备，比如关闭硬盘和显示器。另外一方面也可以根据负载的重轻，动态调整CPU和总线的频率，以达到节省能源的目的。这都是动态完成的，不需要用户的干预，而且状态之间的切换非常快(每秒数百次)。
 
动态电源管理(DPM)是很一个广泛的概念，很多系统实际上都采用了动态电源管理(DPM)方式，本文要谈的是Linux下的动态电源管理(DPM)。Linux很早就采用了动态电源管理，在driver目录下有个cpufreq的驱动程序，它就是用来动态调整CPU频率以降低能源消耗的。
 
不过cpufreq似乎不能用于嵌入式环境，主要原因是：在嵌入式系统中，与LCD显示屏等外设相比，CPU已经不是能源消耗的大户了，光调整CPU的频率用处不大。而且cpufreq还依赖于像ACPI等PC环境，而嵌入式设备一般都没有BIOS，电源管理功能只能完全由 *** 作系统实现。cpufreq的实现目前还不太清楚，我们会在后续的文章中继续研究。
 
就目前掌握的资料来看，用嵌入式Linux系统的动态电源管理只有IBM奥斯汀实验室和MontaVista联合开发的动态电源管理(DPM)（http://dynamicpower.sourceforge.net/）。我们将对它的架构做简要分析，下面提到动态电源管理(DPM)实际上是特指这个解决方案及其实现。
 
我们先介绍几个重要概念：
1.         operaTIng point: 它实际上就是电源管理的一组配置数据，这组配置数据一旦确定，能源消耗率和系统性能也就确定了。比如:

上图有三个operaTIng point，第一个operaTIng point的名称为”33/33”，它的配置为:Core Voltage=1.0v、PLL VCO = 800MHz等如表格第二列里的数据所示。
 
2.         operaTIng state: 它实际上就是系统的运行状态，比如工作状态和空闲状态。不过在dynamicpower中，状态可以有很多种。同是工作状态，有高性能工作状态、中等性能工作状态和低性能工作状态等，甚至更多，根据具体的情况而定。
 
3.         policy: 它是电源管理的一个高级抽象。它负责把operating state映射到一个或者一组(class) operating point上。系统中可以有多个policy，但只一个policy处理激活状态。
 
4.         class: 代表一组operating point，在状态切换时，policy选取其中第一个满足约束条件的operating point作为有效operating point。
 
5.         constraint：它指设备的约束条件，即只有在满足约束条件下，设备才能正常工作，比如LCD要一定总线频率才能正常更新屏幕。在状态切换时，如果下一状态对应的operating point不满足设备的约束条件，有两种选择：要么强制关闭设备，要么状态切换失败，根据设置而定。
 
dynamicpower可以认为是一种典型的按照机制与策略分开的模式设计的，它只实现了动态电源管理这种机制，而所有策略完全由用户空间的应用程序去做实现。总的来说它分为三个层次：
 
1.         API函数库。这一部分主要是对内核提供的sysfs和proc文件进行封装，提供更好用的接口函数。它提供的函数如下：

int dpm_init(void);
int dpm_terminate(void);
int dpm_set_state(char *statename);
int dpm_create_op(char *name, char *params);
int dpm_set_op_param(char *op, char *param, int value);
int dpm_get_op_param(char *opname, char *param, char *buf, size_t bufsiz);
int dpm_create_class(char *name, char *params);
int dpm_create_policy(char *name, char *params);
int dpm_set_policy_state_map(char *policy, char *state, char *opclass);
int dpm_get_policy_state_map(char *policy, char *state, char *buf, size_t bufsiz);
int dpm_get_active_policy(char *name, size_t namemax);
int dpm_set_active_policy(char *policy);
 

如果明白了policy、operating state和operating point等基本概念，上述函数不难理解：首先要创建一些operating point，即各种电源管理配置; 然后把这些operating point组合成class，接下来在operating state和class/operating point之间建立映射关系，这是初始化过程要做的。在系统运行过程中，dpm会自动选择适当的模式，如果有多种policy，应用程序也可以激活适当的policy。
 
2.         内核框架代码。它的主要功能包括对policy的管理，各种状态的切换等平台无关的 *** 作，同时还提供了一些sysfs和proc文件用来和用户空间的应用程序交互。它一部分的代码主要分布在下列文件中：

drivers/base/core.c
drivers/base/power/Makefile
drivers/base/power/power-dpm.c
drivers/base/power/resume.c
drivers/base/power/suspend.c
drivers/base/power/sysfs.c
drivers/dpm/Kconfig
drivers/dpm/Makefile
drivers/dpm/dpm-idle.c
drivers/dpm/dpm-ui.c
drivers/dpm/dpm.c
drivers/dpm/proc.c
fs/proc/base.c
include/linux/device.h
include/linux/dpm-trace.h
include/linux/dpm.h
include/linux/init_task.h
include/linux/pm.h
include/linux/sched.h
kernel/sched.c
kernel/softirq.c
kernel/workqueue.c

其中drivers/dpm/dpm.c和dpm-idle.c是核心代码，dpm-ui.c和proc.c主要是用于与用户空间应用程序交互的，其它代码则是用于与系统其它部分协调工作的。这一层代码不算太复杂，其中最重要的部分是状态切换，其主要过程如下：

dpm_set_os: 切换到新状态运行。
dpm_enter_state：把dpm_active_state置为新状态。
dpm_resync：让新状态生效。
dpm_choose_opt：找到适当的operating point。
1.对于单个operating point：满足设备的约束(constraint)条件吗？满足则OK，否则再判断是否要强制切换。如果是则OK，否则切换失败。
2.对于一组operating point(class): 从列表中找到第一个满足约束条件的operating point，找到了则OK。否则切换失败。
dpm_set_opt: 让operating point生效。
dpm_md.set_opt: 调用依赖于具体平台的函数设置新的operating point。 3.         平台相关代码。为了让operating point真正生效，通常要修改某些特定的寄存器，这是平台相关的。比如，在PXA27x上，要修改CCSR、CCCR和CLKCFG等寄存器。这一层要求实现下面几个接口函数： struct dpm_md {
    int (*init_opt)(struct dpm_opt *opt);
    int (*set_opt)(struct dpm_opt *cur, struct dpm_opt *new);
    int (*get_opt)(struct dpm_opt *opt);
    int (*check_constraint)(struct constraint_param *param,
                    struct dpm_opt *opt);
    void    (*idle)(void);
    void    (*startup)(void);
    void    (*cleanup)(void);
};

要了解这一层的代码，先要熟读平台datasheet相关的章节，这里不再多说。