基于開源軟件構(gòu)建先進的嵌入式電源管理

電源管理（或者說能耗管理）是芯片設(shè)計、制造工藝、系統(tǒng)設(shè)計和軟件都在為之努力的研究課題，大家力求在各個環(huán)節(jié)盡可能的減少靜態(tài)和動態(tài)的電源消耗。傳統(tǒng)的控制電壓的調(diào)節(jié)方式和管理待機模式依然是多數(shù)電子設(shè)備正在采用的，還將繼續(xù)延續(xù)下去，但是隨著包括智能手機、導(dǎo)航和無線傳感網(wǎng)絡(luò)裝置，這些對電量消耗極大且永遠在線的設(shè)備的市場規(guī)模的迅速增加，電源管理已經(jīng)成為整個電子設(shè)計正在面臨的重要課題。市場研究機構(gòu)isuppli首席分析師Jordan Selburn說：“功耗已經(jīng)成為電子產(chǎn)品設(shè)計的首要考慮?！?/P>

Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)證明是在嵌入式系統(tǒng)，尤其是消費電子產(chǎn)品中大量使用的一個嵌入式操作系統(tǒng)。它因為豐富的特性、完善的功能、最新的硬件支持和無版稅的商業(yè)模式得到包括半導(dǎo)體公司、設(shè)計公司和設(shè)備制造商的認可。對于消費電子產(chǎn)品中的Linux 技術(shù)，除了進一步優(yōu)化性能、壓縮尺寸、提高可靠性外，構(gòu)建一個完善和富有彈性的電源管理系統(tǒng)已經(jīng)成為越來越緊要的項目和要求，也將成為Linux取代傳統(tǒng)RTOS、WinCE/mobile、Symbian，占據(jù)消費電子首席開源軟件（OS）地位的重要殺手锏。

Linux電源管理質(zhì)量服務(wù)

目前已經(jīng)發(fā)表的Linux版本是2.6.24和2.6.25，這兩個版本包含了下面幾個和嵌入式相關(guān)的技術(shù)。LTTng（LinuxTrace工具）；電源管理質(zhì)量服務(wù)（PM QoS，也稱為QoSPM）；Kpagemap——一個在userspace的應(yīng)用，可以更詳盡的測量到內(nèi)存消耗的情況；Latency measurement API——一個延遲測量API，也是LatencyTOP的基礎(chǔ)，這個工具的姐妹組合是叫做powerTop的電量分析軟件，這是一個很有用的電源管理工具，可以分析出每個具體的應(yīng)用對電量的消耗情況。最近商業(yè)的嵌入式Linux公司Montavista把它移植到mobilinux5.0產(chǎn)品里支持ARM結(jié)構(gòu)；Smack——一個簡單的訪問控制的安全模塊，值得嘗試在嵌入式系統(tǒng)中使用。

這里重點討論PM QoS，構(gòu)建PM QoS的目的是通過提供硬件之間可以訪問的機制，讓應(yīng)用在有性能需要的時候可以給出電源管理的資源信息，在實現(xiàn)上，它是構(gòu)建了一個新的內(nèi)核結(jié)構(gòu)以完成需要延遲和吞吐性能的驅(qū)動程序、系統(tǒng)和應(yīng)用之間的通信。

PM QoS目前發(fā)布的版本里有三個參數(shù)（pm_qos_params.c）：cpu_dma_lantency、network_latency和network_throughput。使用pm_qos_init()在內(nèi)核里可以增加新的參數(shù)，在userspace應(yīng)用使用PM QoS就好像是驅(qū)動文件的一個特性。打開驅(qū)動文件，改變?nèi)缪舆t參數(shù)等值，寫入文件后，關(guān)閉文件就意味取消了對內(nèi)核的請求，可以自動保護避免因為可能發(fā)生宕機而損壞內(nèi)核系統(tǒng)。

在內(nèi)核API中有請求（requirement）、告知（notifier）等接口，讓需要有延遲和吞吐性能要求的驅(qū)動代表這些參數(shù)。典型的應(yīng)用包括目前Intel開源實驗室開發(fā)的一個帶有PM_QoS的無線網(wǎng)卡的驅(qū)動（IW14965）。這個無線芯片有六個電源配置點，它們可以影響天線的功率，設(shè)置進入無線休眠的速度和無線AP站點之間的距離等參數(shù)，這個應(yīng)用使用PM QoS的延遲參數(shù)就很適合，目前這個驅(qū)動的工作還是和驅(qū)動相關(guān)，通過sysfs掛接，驅(qū)動只需要簡單的注冊并告知需要改變網(wǎng)絡(luò)延遲參數(shù)的要求，然后切換到它希望的電源管理層。

PM QoS目前主要有三個方面的應(yīng)用。第一是CPU的空閑管理，這可以用在如音頻、硬盤、USB和顯示等耗電大和動作相對需要延遲的部件上。例如，圖像不需要高分辨率，那就可以關(guān)閉硬件的加速功能，而硬件加速要打開是有延遲的，設(shè)置合適延遲可以達到在不影響使用的前提下節(jié)省電量的目的。第二是WiFi應(yīng)用。第三是千兆以太網(wǎng)，PM QoS可以幫助控制網(wǎng)絡(luò)的延遲和帶寬的需求，以達到在可用的前提下省電的目的。例如，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器大約可以設(shè)置成2s延遲，郵件客戶端0.5s的網(wǎng)絡(luò)延遲。PM QoS目前還很初步，現(xiàn)在主要應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)終端，相信進入Linux內(nèi)核后未來支持PM QoS的驅(qū)動程序和應(yīng)用將會越來越多，對于嵌入式系統(tǒng)裝置的電源管理是一個選擇。更多的關(guān)于這個項目的信息，可參考www.lesswatts.org。

Linux內(nèi)核的動態(tài)電壓和電流控制接口

前面已經(jīng)提到半導(dǎo)體器件的功耗是兩個部分組成，一是靜態(tài)功耗，一是動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗主要來自待機狀態(tài)的泄漏電流，相比而言動態(tài)功耗更大，例如，音視頻播放中頻率和電壓的增加會讓電量將成線形增長，動態(tài)功耗也是電源管理要解決的主要問題，解決動態(tài)功耗的方法有幾種，如IBM和Montavista合作開發(fā)DPM項目（現(xiàn)用在Montavista Mobilinux 5.0 產(chǎn)品中）和TI OMAP3430的Linux電源管理，自Wolfson微電子的Liam Girdwood最近介紹了一種稱為校準(zhǔn)器（regulator）的動態(tài)電壓和電流控制的方法，很有參考意義和實際使用價值。

1 校準(zhǔn)器的基本概念

所謂校準(zhǔn)器實際是在軟件控制下把輸入的電源調(diào)節(jié)精心輸出。例如電壓的控制，輸入時5V 輸出是1.8V；電流的限制，最大20mA；簡單的切換和電源的開關(guān)等，如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)器

電源域是一組校準(zhǔn)器，設(shè)備組成、輸入可能是校準(zhǔn)器，開關(guān)也許是電源域，電源域可以級聯(lián)，電源約束可以和電源域配合以保護硬件。例如一個Internet Tablet/PMP，它由CPU、NOR Flash、音頻編解碼器、觸摸屏、LCD控制器、USB、WiFi 等其他外設(shè)組成，如圖2所示。

圖2 Internet Tablet/PMP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)上面的構(gòu)想，需要在內(nèi)核里建立一個校準(zhǔn)器構(gòu)架，目的就是設(shè)計一個可以控制電壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核接口以節(jié)省電能，從而盡可能的延長電池的供應(yīng)。這個內(nèi)核的架構(gòu)分為四個部分：針對設(shè)備驅(qū)動的消費接口（consumer）、校準(zhǔn)器驅(qū)動的接口、系統(tǒng)配置的接口和面向應(yīng)用sysfs的userspace接口。

2 Consumer的API

regulator = regulator_get(dev, “Vcc”)；
其中，dev 是設(shè)備“Vcc”一個字符串代表，校準(zhǔn)器（regulator）然后返回一個指針，也是regulator_put(regulator)使用的。
打開和關(guān)閉校準(zhǔn)器（regulator）API如下。
int regulator_enable(regulator);
int regulator_disable(regulator);

3 電壓的API
消費者可以申請?zhí)峁┙o它們的電壓，如下所示。
int regulator_set_voltage(regulator, int min_uV, int max_uV);
在改變電壓前要檢查約束，如下所示。
regulator_set_voltage(regulator,100000,150000)
電壓值下面的設(shè)置改變?nèi)缦滤尽?br>int regulator_get_voltage)struct regulator *regulator);

4 電流的API
電流的API也是類似，需要指出的是，校準(zhǔn)器的方法并不一定是最高的效率，效率和加載(如加載10mA電流)、操作模式都有關(guān)系，通過下面的API可以改變模式設(shè)置。
regulator_set_optimum_mode(requlator,10000);//10mA

5 校準(zhǔn)器的驅(qū)動和系統(tǒng)配置
在實際使用校準(zhǔn)器之前，需要按照下面的結(jié)構(gòu)寫校準(zhǔn)器的驅(qū)動程序，然后注冊后通知給消費者使用。
struct regulator_ops {
 /* get/set regulator voltage */
 int (*set_voltage)(struct regulator_cdev *, int uV);
 int (*get_voltage)(struct regulator_cdev *);
 /* get/set regulator current */
 int (*set_current)(struct regulator_cdev *, int uA);
 int (*get_current)(struct regulator_cdev *);
 /* enable/disable regulator */
 int (*enable)(struct regulator_cdev *);
 int (*disable)(struct regulator_cdev *);
 int (*is_enabled)(struct regulator_cdev *);
 /* get/set regulator operating mode (defined in regulator.h) */
 int (*set_mode)(struct regulator_cdev *, unsigned int mode);
 unsigned int (*get_mode)(struct regulator_cdev *);
 /* get most efficient regulator operating mode for load */
 unsigned int (*get_optimum_mode)(struct regulator_cdev *, int input_uV,
 int output_uV, int load_uA);
};
完成了校準(zhǔn)器驅(qū)動程序之后，下一步就是系統(tǒng)設(shè)置（machine specific），即匹配如電壓、LDO1和NAND等關(guān)系。
regulator_set_supply(“LDO1”,dev, “Vcc”)
對于userspace，校準(zhǔn)器的使用是通過sysfs，但是目前所有的包括電壓、電流、操作模式、限制等信息多只是只讀信息，應(yīng)該是非常適合象powerTop這樣工具的使用。

6 應(yīng)用
校準(zhǔn)器的典型的應(yīng)用包括如下：CPUfreq——CPU頻率的調(diào)節(jié)；CPU idle——CPU空閑模式控制；LCD背光調(diào)節(jié)——通過電流控制LED燈的亮度達到控制LCD背光的目的；音頻單元——如FM收音機在MP3使用的時候應(yīng)該是關(guān)閉的，麥克風(fēng)使用的時候，揚聲器的放大器應(yīng)該是關(guān)閉的；NAND/NOR存儲器是耗電大戶，根據(jù)不同操作方式（讀/寫、擦除等）優(yōu)化操作模式（控制電流）達到節(jié)省電量的要求。同其他電源管理的方法比較，校準(zhǔn)器方法具有一定的硬件獨立和抽象性，簡單實用，原理上可以適合任何有電源管理芯片支持嵌入式系統(tǒng)電源管理，目前已經(jīng)移植到Freescale MC13783、Wolfson WM8350/8400等幾個集成度很高的電源管理器件上了，這個項目的信息可參考http://openspurce.wolfsonmicro.com/node/15。

基于構(gòu)件的面向CPU的電源管理技術(shù)
無論是PM_QoS、控制電壓和電流的校準(zhǔn)器方法，還是許許多多半導(dǎo)體公司支持自己CPU和電源管理芯片的Linux BSP電源管理部分，都還沒有一個構(gòu)建在更高層面的構(gòu)件級嵌入式系統(tǒng)電源解決方案和商業(yè)產(chǎn)品。雖然包括CELF（消費和嵌入式Linux 論壇，www.celf.org）和Intel主導(dǎo)的Mobile &Internet Linux項目（www.moblin.org）都設(shè)立了專門的電源管理計劃（power manager project），但是顯然距離人們的要求和實際的應(yīng)用還太遠了。

Montavista在過去和IBM合作開發(fā)DPM（動態(tài)電源管理）技術(shù)的基礎(chǔ)上，最近在專門針對手機、互聯(lián)網(wǎng)移動終端、PMP/PDN等便攜消費電子設(shè)備的mobilinux5.0上提出嵌入式電源管理技術(shù)的構(gòu)件方法。Montavista的構(gòu)件方式主要是針對以先進的多媒體應(yīng)用處理器為核心的新一代嵌入式系統(tǒng)，比如Freescale的MX31、TI OMAP2430/3430為核心的系統(tǒng)級電源管理，它包含下面幾個主要的部分。

1 動態(tài)的電壓和頻率調(diào)節(jié)

正如前面提到的，電壓和頻率的提升將會讓功耗線性增加，按照設(shè)計需要和應(yīng)用的指令將電壓和頻率調(diào)節(jié)到合適的操作點可以大大降低功耗的有效方法。要想實現(xiàn)動態(tài)的電壓和頻率調(diào)節(jié)（DVFS），在內(nèi)核里CPUrefs子系統(tǒng)是關(guān)鍵的部件，如圖3所示。

圖3 CPUrefs結(jié)構(gòu)

那么管理者（Governor）是按照什么情況改變操作點呢？性能要求、省電的要求、用戶的應(yīng)用以及CPU的使用效率等條件都可以讓管理者改變操作模式。Mobilinux5.0提供了userspace機制充當(dāng)管理者的工作，即應(yīng)用可以改變操作點。

在TI OMAP3中有一個稱為SmartReflex的技術(shù)，動態(tài)調(diào)整VDD1和VDD2操作點電壓以適應(yīng)芯片特性、溫度和電壓。SmartReflex技術(shù)有四個級別：0級——在工廠生產(chǎn)時優(yōu)化校準(zhǔn)后設(shè)置的操作點；1級——引導(dǎo)時優(yōu)化后校準(zhǔn)確定的操作點；2級——通過軟件循環(huán)實時優(yōu)化電壓點然后由CPU的中斷程序設(shè)置；3級——完全的硬件循環(huán)優(yōu)化電壓點，無須CPU干預(yù)，是一種硬件控制“傻瓜”操作點改變方式。無論是mobilinux5.0還是TI 3430 Linux distribution都已經(jīng)支持DVFS和SmartReflex驅(qū)動。

2 掛起和恢復(fù)
在內(nèi)核里，mobilinux5.0已經(jīng)提供支持掛起和恢復(fù)的驅(qū)動程序的功能，新的驅(qū)動必須要增加回調(diào)函數(shù)以響應(yīng)系統(tǒng)休眠中關(guān)機和再次喚醒的動作。

3 支持電源管理的驅(qū)動程序
每一個驅(qū)動程序必須經(jīng)過重新的書寫支持DVFS，即當(dāng)操作點改變的時候，驅(qū)動程序通過CPUrefs的告知作出響應(yīng)。驅(qū)動程序還必須正確處理系統(tǒng)的掛起和恢復(fù)事件。

4 CPU空閑調(diào)節(jié)
由一個定義的處理器特定的空閑狀態(tài)點的CPUidle驅(qū)動管理、內(nèi)核的一個CPUidle 框架和管理者組成，如OMAP3430定義7個空閑狀態(tài)點。

5 應(yīng)用設(shè)計策略
包括手機在內(nèi)的便攜式消費電子產(chǎn)品主要的能耗分布如圖4所示。

圖4 便攜電子產(chǎn)品能耗分布

除了CPU外，其他主要的能耗大戶是LCD背光、NOR/NAND Flash/RAM存儲器、DC/DC轉(zhuǎn)換和音視頻放大器等，例如，MPEG4的播放就是一個能耗集中的應(yīng)用。
如何使用mobilinux5.0等已經(jīng)具備電源管理功能的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)以使便攜電子產(chǎn)品能耗降低到最少？下面的方法是設(shè)計人員應(yīng)該考慮的。
● 實際測量的結(jié)果證明使用DVFS的方法是降低CPU運行時的能耗的關(guān)鍵。當(dāng)然，如何讓管理者設(shè)置操作點和狀態(tài)轉(zhuǎn)移是要設(shè)計人員全盤考慮的。
● 不要忽視CPU空閑狀態(tài)的能耗管理。mobilinux5.0的CPUrefs 和所有的驅(qū)動都已經(jīng)支持空閑的調(diào)節(jié)（idle scaling），加上內(nèi)核使用了動態(tài)滴嗒時鐘（dynamic tick），改變了過去CPU無論是否運行都按照固定的時間喚醒的方法，大大節(jié)省能源。
● 可延遲的定時器（deferrable timer）——它可以告訴內(nèi)核某個定時器不需要在時限到的時候喚醒，這將可以降低能耗。
● PowerTop工具——前面已經(jīng)提到的這個工具已經(jīng)集成到mobilinux5.0 中，而且證明對于分析系統(tǒng)空閑狀態(tài)是一個非常有用的工具。

結(jié)語
上面講了大量基于Linux的電源管理技術(shù)的實現(xiàn)方法，應(yīng)該承認包括WinCE/Mobile、Symbian 等嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理技術(shù)和操作系統(tǒng)結(jié)合的相對更加完整和容易使用，但是靈活性和開放性比較起開源的Linux要遜色的多。更加重要的是，電源管理是一個系統(tǒng)級的設(shè)計，而不僅僅是軟件設(shè)計，不斷追蹤技術(shù)發(fā)展的Linux電源管理將得到越來越多的設(shè)計人員的喜愛，使用Linux操作系統(tǒng)優(yōu)化電源管理后電子產(chǎn)品將會更加省電和長效。