嵌入式系統(tǒng)電源管理軟件比較

1、嵌入式系統(tǒng)電源管理軟件比較         引言      普適計算、智能空間等概念前所未有地擴展了嵌入式系統(tǒng)的應用范圍。同時也對嵌入式系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗提出了更嚴格的要求。各種移動終端、可穿戴設備、消費類電子產品、傳感器網絡節(jié)點等典型嵌入式設備對能耗越來越敏感，電源管理技術正成為這些產品設計的關鍵所在。電源管理技術正由傳統(tǒng)的基于電源管理器件和外設控制為主的靜態(tài)控制方式，轉到以具備智能電源管理功能的嵌入式微處理器結合操作系統(tǒng)為核

2、心的智能管理軟件的動靜態(tài)結合的綜合控制模式。      為了應對電源管理技術面臨的挑戰(zhàn)，芯片廠商推出了效率越來越高的電源管理芯片以及對能耗管理功能更加強大、精細的微處理器。以此為基礎，如何設計高效、智能的系統(tǒng)軟件對嵌入式設備進行能源管理，已成為研究熱點。本文將以典型硬件的電源管理功能為基礎，分析幾種代表性嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理實現(xiàn)，探討電源管理系統(tǒng)軟件現(xiàn)狀及研究應用前景。      電源管理基本概念與方法      

3、;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。但這兩種技術的發(fā)展還無法滿足快速增加的芯片動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。當電路工作或邏輯狀態(tài)翻轉時會產生動態(tài)功耗，未發(fā)生翻轉時漏電流會造成靜態(tài)功耗。在供電電壓Vdd下消耗的功率P如公式(1)所示：      P=C*V2dd*fC+VddIQ       (1)      這里C為電容，fC為開關頻率，Vdd為電源電壓，IQ

4、為漏電流。C*V2dd*fC為動態(tài)功耗；VddIQ為靜態(tài)功耗。隨著芯片運行速度的提高和工藝尺寸的不斷縮小、密度增加，其動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗也在不斷增長，加劇了電源管理的復雜性。      有一種方法可以協(xié)調高性能與低功耗之間的矛盾，就是根據(jù)系統(tǒng)負載進行性能調節(jié)。從公式(1)中我們可以得知，對一個給定負載，動態(tài)功耗的量值與供電電壓的平方成正比，與運行頻率成正比。減少供電電壓并同時降低處理器的時鐘速度，功耗將會呈平方速度下降，代價是增加了運行時間。此外，還可以通過停止芯片模塊的時鐘和電源供應的辦法，將能耗降至最低，代價是重新啟動該模塊時需要

5、額外能耗。因此，通過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，達到節(jié)能最大化。      嵌入式微處理器對電源管理的支持      從8位單片機到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)轉化      系統(tǒng)在運行態(tài)(Run)時，設備全部正常工作。在空閑態(tài)時，處理器按照特定的模式，進行相應的節(jié)能。在掛起狀態(tài)下，處理器掛起，主存儲器運行在節(jié)能的

6、自刷新模式，只有功耗管理電路、喚醒電路繼續(xù)工作。現(xiàn)有的單片機、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。       單片機的電源管理支持      在傳感器網絡應用中，傳感器節(jié)點一般采用低廉的8/16位單片機，其電池壽命至關重要。節(jié)點工作時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。大多時間內，節(jié)點都處于睡眠與空閑模式，只有少量能耗。   

7、;   ATMEL采用picoPower技術的AVR微控制器顯著降低了功耗。這些技術包括一個超低功耗晶振、睡眠模式下自動終止和重激活欠壓檢測器、能完全停止對外圍設備電力供應的省電寄存器以及能夠關閉特定管腳輸入的數(shù)字輸入中斷寄存器。picoPower技術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。      ARM的電源管理技術      ARM以其優(yōu)秀的低功耗技術在消費類電子等領域得到廣泛應用。ARM實現(xiàn)了不同級

8、別的低功耗管理技術，如表1所示。表1 ARM不同級別的低功耗管理技術電源功耗管理級別ArchitectureLevel System Level Block LevelLogic Level ProcessLevel 實現(xiàn)動態(tài)低功耗技術Clock GatingClocking Domains voltageDomainsLow VoltageCellsLow PowerLibrary 實現(xiàn)靜態(tài)低功耗技術Sleep Mode Power Gating State Store/RestoreHigh VoltageCellsArtisanPMK    

9、60; 據(jù)ARM估計，32位的Cortex-M3處理器內核以0.19mW/MHz(0.18微米)極低的功耗在特殊應用中占據(jù)優(yōu)勢。32位Cortex-M3設備執(zhí)行任務的速度比8位設備快許多倍，所以活動模式中所用的時間更短，平均功率相應降低。其功耗如表2所示。 表2 Cortex-M3能量消耗 能量消耗1MHZ16MHZ32MHZActivemW0.29mW4.5mW9mWSleepmW0.01mW0.16mW0.3mWStandbyµW1µW1µW1µW      高端ARM處理器還支持

10、功能更強大的電源管理功能，通過電壓調節(jié)與頻率調節(jié)相結合，極大地降低功耗，提高能量效率。動態(tài)電壓調節(jié)(DVS)是通過對系統(tǒng)的負載預測，在一個開環(huán)電壓控制系統(tǒng)中用多組能耗級別的頻率、電壓對來實現(xiàn)。自適應電壓調節(jié)(AVS)用一個閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，它無需配對的頻率、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，內部可以調節(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)，外部設備控制器，DSP運行頻率，DSP MMU頻率，LCD刷新頻率。通過定義操作點(O

11、peration Points，OP)數(shù)據(jù)結構來抽象表示頻率、電壓等能耗級別，如表3所示。表3 OMAP1610操作點參數(shù) 參數(shù)操作點CPU電壓（mV）DPLL頻率乘法器DPLL頻率分頻器CPU頻率控制TC控制器192MHz1.5V150016112168MHz1.5Hz1.5Hz1.5V11001412260MHz1.5V1500511160MHz1.5V11005111典型嵌入式系統(tǒng)能耗組成      典型嵌入式系統(tǒng)，例如移動終端，其能耗主要部件包括嵌入式微處理器(CPU)、內存

12、、LCD及背光，電源轉換部件，其他部件還可能包括基帶處理器、DSP、外設控制器等。據(jù)統(tǒng)計，CPU占20%25%，LCD以及背光占用了20，內存占15，電源轉換占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，有些元件性能指標和能耗固定；有些元件可在不同時間工作，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)能的關鍵所在。      三種典型嵌入式操作系統(tǒng)電源管理實現(xiàn)嵌入式Linux嵌入式Linux電源管理結構Linux標準內核標準電源管理有

13、ACPI、APM等機制。這些機制依賴于PC機的BIOS功能實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)一般都沒有實現(xiàn)BIOS支持，對其能耗管理機制需要進行其他定義。消費類電子產品聯(lián)盟CELF對能耗管理作了定義，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核層和用

14、戶層。內核層又劃分為體系結構無關層和體系結構相關層。體系結構相關層主要提供可管理硬件支持，例如處理器電壓和運行頻率調節(jié)，各種總線運行頻率管理，設備的關斷管理等。內核體系結構無關層在體系結構相關層的基礎上為用戶層提供APIs，進行各種能耗管理功能的支持。它包含一個能耗管理(PM)引擎，根據(jù)系統(tǒng)任務負載選擇系統(tǒng)運行狀態(tài);提供能耗管理的掛起和恢復方法;提供VST技術，通過估計下次準確喚醒時間來確保在進入深度睡眠時，不被原來固定時間產生的定時器中斷喚醒;還包含了各種外部設備關閉/開啟的操作邏輯。用戶通過編制具有一定智能的管理策略駐留程序，利用系統(tǒng)提供的能耗管理機制，進行有效的系統(tǒng)能耗管理。此外，在某些

15、實現(xiàn)中，也可以將ACPI中的BIOS調用進行映射，在內核用軟件實現(xiàn)回調函數(shù)，用以支持沒有BIOS的電源管理。嵌入式Linux內核電源管理實現(xiàn)分析2.6內核提供了一個電源管理框架，在其基礎之上容易實現(xiàn)各種電源管理規(guī)范，例如ACPI和APM規(guī)范。2.6內核中的設備驅動模型(Linux Driver Model，LDM)是內核對電源管理基礎支持。Kobject基本結構嵌入到描述設備模型的組件的bus、devices、 drivers結構中。這些容器就是通過kobject連接起來形成樹狀結構。每個對象的屬性(attribute)以文件形式輸出到kobject對應的sysfs目錄下。通過這種文件系統(tǒng)接口

16、，可以對平臺進行有效的電源管理。就嵌入式系統(tǒng)而言，電源管理可以分為靜態(tài)電源管理，動態(tài)電源管理，設備電源管理等三個方面。·靜態(tài)電源管理Linux內核支持ON, Standby, Suspend, 和Hibernate四種電源狀態(tài)。Standby指“帶電掛起”，通過將CPU置于halt狀態(tài)，將設備置于D1狀態(tài)來達到節(jié)能的目的(ACPI規(guī)范中按能耗從高到低分D0D3)。節(jié)能效果不明顯，但是響應延遲最小。Suspend就是掛起到RAM。在該狀態(tài)下，所有設備被置于D3狀態(tài)，整個系統(tǒng)，除主存處于節(jié)電的自刷新模式(self-refresh)外，全部關閉電源。響應延遲比Standby大。Hibern

17、ate 是通過將系統(tǒng)狀態(tài)保存到非易揮發(fā)性存儲中(通常是磁盤)，關閉整個系統(tǒng)的電源。延遲時間最長，但比一次完整啟動來得短。通常情況下嵌入式設備都沒有支持這種方式。通過sysfs文件系統(tǒng)接口觸發(fā)系統(tǒng)級電源狀態(tài)轉化。轉換管理是通過注冊好的驅動來進行。例如，prepare函數(shù)確認系統(tǒng)能夠進入所請求的狀態(tài)，并且進行相應的準備工作。例如通過禁止搶占和“冷凍”所有進程來準備進入所請求的電源狀態(tài)。Save函數(shù)枚舉所有注冊有電源管理能力的設備，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，關閉外部設備電源，調用Sleep函數(shù)根據(jù)掛起級別進入睡眠狀態(tài)。在嵌入式設備掛起過程中可以通過寫入某些特殊的非易失性處理

18、器寄存器來記錄掛起的原因和掛起時的代碼執(zhí)行地址。系統(tǒng)上電后引導程序先執(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。如果是，則負責從非易揮發(fā)性存儲介質中恢復所有的硬件上下文。如果不是，系統(tǒng)負責從sleep()函數(shù)處返回。給所有設備上電，恢復中斷。Restore函數(shù)被用來恢復系統(tǒng)的低層調用，恢復設備上下文。Cleanup函數(shù)從sleep狀態(tài)恢復必須進行的清尾工作，例如搶占重新被允許，系統(tǒng)恢復正常執(zhí)行。當一次完整的轉換完成后，CPU執(zhí)行權還給之前執(zhí)行的進程。·動態(tài)電源管理(1)動態(tài)電源管理原理如圖5所示，系統(tǒng)無任務時進入空閑，可被中斷喚醒，處理完后重新進入空閑

19、或者回到任務態(tài)。如果系統(tǒng)被掛起到RAM中，進入深度睡眠?？梢躁P閉除了中斷控制器和喚醒源之外的所有設備，實現(xiàn)最大限度地省電。根據(jù)運行時不同的任務負載，系統(tǒng)應該有對應的不同電源級別。如圖示中的任務、任務-、任務+等代表電源需求的狀態(tài)。在完成任務的同時，進行最大化的節(jié)能。圖5  操作狀態(tài)間的轉換(2)動態(tài)電源管理設計在Linux架構下實現(xiàn)動態(tài)電源管理，需要(1)用戶層的管理策略;(2)內核模塊需要為應用層提供的接口;(3)硬件無關的通用電源管理邏輯控制框架;(4)管理特定硬件的平臺相關電源控制層。用戶層策略通過sysfs文件系統(tǒng)接口(或proc文件系統(tǒng)接口)以及系統(tǒng)調用接口(APIs)來進

20、行電源管理。內核硬件無關層提供電源管理邏輯控制，針對任務負載情況選擇反映當前任務電源狀態(tài)的電源操作點(相關可控的硬件參數(shù))。內核硬件相關層主要對應系統(tǒng)的各種總線和設備時鐘電源參數(shù)管理，并管理多種設備的參數(shù)約束。·設備驅動電源管理在某些設備閑置時可以被主動關閉，從而節(jié)電。在2.6內核中需要實現(xiàn)總線以及設備的電源管理支持，在驅動中需要實現(xiàn)設備驅動的suspend/resume函數(shù)。關閉一個設備，其驅動的suspend方法需要兩個不同的調用，一個用來保存狀，另外一個用來關閉設備電源。相反，resume方法需要一個調用用來給設備供電，另一個調用來恢復設備的狀態(tài)。在關閉一個總線設備時必須關閉所

21、有的下一級子設備。相反地，重新使能總線設備時，必須先使能根設備，然后再使能子設備。·用戶層電源管理策略嵌入式系統(tǒng)如何做到有效的平臺級能耗管理需要在內核提供的機制上實現(xiàn)一個智能化的管理軟件，監(jiān)控系統(tǒng)電源狀態(tài)，處理相應電源事件，執(zhí)行針對特定應用制定的管理策略?，F(xiàn)有的Linux ACPI和APM的后臺駐留進程，可以供嵌入式系統(tǒng)實現(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)電源管理實現(xiàn)比較嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理功能實現(xiàn)結構中，主要可以分為核心層、接口層、應用策略管理層。核心層需要提供一個

22、體系結構無關的電源管理框架，感知系統(tǒng)負載，進行系統(tǒng)電源狀態(tài)管理。核心層還需要一個體系結構相關層，提供硬件相關的電源狀態(tài)管理，例如進行電壓/頻率調節(jié)及相應的約束管理。核心層還需要提供一個用戶編程接口，用戶層通過編程來利用系統(tǒng)提供的電源管理機制。并且根據(jù)不同的應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)級電源管理，(2)動態(tài)電源管理，(3)設備電源管理等三類。操作系統(tǒng)檢查任務負載情況，如果沒有需要運行的任務，則一般進入空閑等節(jié)能狀態(tài)，等待喚醒?？梢栽诳臻e一段時間后進入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。在運行任務期間，操作系統(tǒng)還可以利用硬件提供的電源管理功能動態(tài)調節(jié)芯片運行

23、電壓和頻率，對系統(tǒng)進行更加細致的電源管理。操作系統(tǒng)還應該能夠管理閑置的設備，關閉設備并提供恢復手段。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 簡練小巧有基本的內核態(tài)和系統(tǒng)級的電源管理功能，但是相對比較簡單;WindowsCE電源管理模塊結構清楚，特別有提供了應用程序的接口，但是到目前看到的為止Windows CE/Mobile 開放給用戶的電源管理功能還待提升;Linux 是開源代碼，具有豐富的硬件電源管理支持，策略和動態(tài)的電源管理功能，但是相當實現(xiàn)的零散和分散，應用軟件的接口不清晰和標準，需要用戶作的工作比較多?？偨Y和展望消費類電子如近年流行的智能手機、GPS、移動電視都迫切需要高效的電源管理，傳感網節(jié)點需要電源管理，以