電源管理或者說(shuō)能耗管理是芯片設(shè)計(jì)制造工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件都

1、電源管理（或者說(shuō)能耗管理）是芯片設(shè)計(jì)、制造工藝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件都在為之努力的 研究課題，大家力求在各個(gè)環(huán)節(jié)盡可能的減少靜態(tài)和動(dòng)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(jī)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(jī)、導(dǎo)航和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)裝置，這些對(duì)電量消耗極大且永遠(yuǎn)在線的設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模的迅速增加，電源管理已經(jīng)成為整個(gè)電子設(shè)計(jì)正在面臨的重要課題。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)isuppli首席分析師Jordan Seiburn說(shuō)：功耗已經(jīng)成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要考慮。”Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)證明是在嵌入式系統(tǒng)，尤其是消費(fèi)電子產(chǎn)品中大量使用的一個(gè) 嵌入式操作系統(tǒng)。它因?yàn)樨S富的特性、完善的

2、功能、最新的硬件支持和無(wú)版稅的商業(yè)模式得 到包括半導(dǎo)體公司、設(shè)計(jì)公司和設(shè)備制造商的認(rèn)可。對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品中的Linux技術(shù)，除了進(jìn)一步優(yōu)化性能、壓縮尺寸、提高可靠性外，構(gòu)建一個(gè)完善和富有彈性的電源管理系統(tǒng) 已經(jīng)成為越來(lái)越緊要的項(xiàng)目和要求，也將成為L(zhǎng)inux取代傳統(tǒng) RTOS、WinCE/mobile、Symbian ,占據(jù)消費(fèi)電子首席開(kāi)源軟件（OS）地位的重要?dú)⑹诛?。Linux電源管理質(zhì)量服務(wù)目前已經(jīng)發(fā)表的 Linux版本是2624和2625，這兩個(gè)版本包含了下面幾個(gè)和嵌入 式相關(guān)的技術(shù)。LTTng（ Linu xTrace工具）；電源管理質(zhì)量服務(wù) （PM QoS，也稱(chēng)為QoSPM）； Kpa

3、gemap一個(gè)在userspace的應(yīng)用，可以更詳盡的測(cè)量到內(nèi)存消耗的情況；Latencymeasurement API個(gè)延遲測(cè)量 API，也是LatencyTOP的基礎(chǔ)，這個(gè)工具的姐妹組合是叫做powerTop的電量分析軟件，這是一個(gè)很有用的電源管理工具，可以分析出每個(gè)具體的應(yīng)用對(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的訪問(wèn)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(diǎn)討論 PM QoS，構(gòu)建PM QoS的目的是通過(guò)提供硬件之間可以訪問(wèn)的機(jī) 制，讓?xiě)?yīng)用在有性能需要的時(shí)候可以給出電源

4、管理的資源信息，在實(shí)現(xiàn)上，它是構(gòu)建了一個(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)文件的一個(gè)特性。打開(kāi)驅(qū)動(dòng)文件，改變?nèi)缪?遲參數(shù)等值，寫(xiě)入文件后，關(guān)閉文件就意味取消了對(duì)內(nèi)核的請(qǐng)求，可以自動(dòng)保護(hù)避免因?yàn)榭赡馨l(fā)生宕機(jī)而損壞內(nèi)核系統(tǒng)。在內(nèi)核API中有請(qǐng)求（requiremen

5、t ）、告知（notifier ）等接口，讓需要有延遲和吞 吐性能要求的驅(qū)動(dòng)代表這些參數(shù)。典型的應(yīng)用包括目前In tel開(kāi)源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一個(gè)帶有PM_QoS的無(wú)線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)（IW14965 ）。這個(gè)無(wú)線芯片有六個(gè)電源配置點(diǎn)，它們可以影響 天線的功率，設(shè)置進(jìn)入無(wú)線休眠的速度和無(wú)線AP站點(diǎn)之間的距離等參數(shù)，這個(gè)應(yīng)用使用PM QoS的延遲參數(shù)就很適合，目前這個(gè)驅(qū)動(dòng)的工作還是和驅(qū)動(dòng)相關(guān)，通過(guò)sysfs掛接，驅(qū)動(dòng)只需要簡(jiǎn)單的注冊(cè)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(gè)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(pán)、USB和顯示等耗電大和動(dòng)作

6、相對(duì)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(kāi)是有延遲的，設(shè)置合適延遲可以達(dá)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(dá)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(hù)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(jìn)入Linux內(nèi)核后未來(lái)支持 PM QoS的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)裝置的電源管理是一個(gè)選擇。Linux內(nèi)核的動(dòng)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(gè)部

7、分組成，一是靜態(tài)功耗，一是動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗主要來(lái)自待機(jī)狀態(tài)的泄漏電流，相比而言動(dòng)態(tài)功耗更大，例如，音視頻播放中頻率和電壓的增加會(huì)讓電量將成線形增長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)功耗也是電源管理要解決的主要問(wèn)題，解決動(dòng)態(tài)功耗的方法有幾種，女口 IBM和Montavista 合作開(kāi)發(fā) DPM項(xiàng)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(chēng)為校準(zhǔn)器(regulator)的動(dòng)態(tài)電壓和電流控制的方法，很有參考意義和實(shí)際使用價(jià)值。1校準(zhǔn)器的基本概念所謂校準(zhǔn)器實(shí)際是在軟件控制下把輸入的電源

8、調(diào)節(jié)精心輸出。例如電壓的控制，輸入時(shí)5V輸出是1.8V ;電流的限制，最大20mA ;簡(jiǎn)單的切換和電源的開(kāi)關(guān)等，如圖1所示。Blit YLinaU古已JI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(kāi)關(guān)也許是電源域，電源域可以級(jí)聯(lián)，電源約束可以和電源域配合以保護(hù)硬件。例如一個(gè)In ternet 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。gs圖 2 In ternet Tablet/PMP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)上面的構(gòu)想，需要在內(nèi)核里建立一個(gè)校準(zhǔn)器構(gòu)架，目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)可以控制電壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核

9、接口以節(jié)省電能，從而盡可能的延長(zhǎng)電池的供應(yīng)。這個(gè)內(nèi)核的架構(gòu)分為四個(gè)部分：針對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的消費(fèi)接口(consumer )、校準(zhǔn)器驅(qū)動(dòng)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 APIregulator = regulator_get(dev, Vcc ”)；其中，dev是設(shè)備Vcc”一個(gè)字符串代表，校準(zhǔn)器(regulator)然后返回一個(gè)指針， 也是 regulator_put(regulator)使用的。打開(kāi)和關(guān)閉校準(zhǔn)器(regulator)API如下。int regulator_e nable(regulator);int regulato

10、r_disable(regulator);3電壓的API消費(fèi)者可以申請(qǐng)?zhí)峁┙o它們的電壓，如下所示。int regulator_set_voltage(regulator, i nt 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?。int regulator_get_voltage)struct regulator *regulator);4電流的API電流的API也是類(lèi)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

11、電流)、操作模式都有關(guān)系，通過(guò)下面的API可以改變模式設(shè)置。regulator_set_optimum_mode(requlator,10000);/10mA5校準(zhǔn)器的驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)配置在實(shí)際使用校準(zhǔn)器之前，需要按照下面的結(jié)構(gòu)寫(xiě)校準(zhǔn)器的驅(qū)動(dòng)程序，然后注冊(cè)后通知給消費(fèi)者使用。struct regulator_ops /* get/set regulator voltage */in t (*set_voltage)(struct regulator_cdev *, int uV);in t (*get_voltage)(struct regulator_cdev *);/* get/set regu

12、lator curre nt */in t (*set_curre nt)(struct regulator_cdev *, int uA);in t (*get_curre nt)(struct regulator_cdev *);/* en able/disable regulator */in t (*e nable)(struct regulator_cdev *);in t (*disable)(struct regulator_cdev *);in t (*is_e nabled)(struct regulator_cdev *);/* get/set regulator oper

13、at ing mode (defi ned in regulator.h) */in t (*set_mode)(struct regulator_cdev *, un sig ned int mode);un sig ned in t (*get_mode)(struct regulator_cdev *);/* get most efficie nt regulator operati ng mode for load */un sig ned in t （*get_optimum_mode）（struct regulator_cdev *, int in put_uV,int outpu

14、t_u V, int load_uA）;；完成了校準(zhǔn)器驅(qū)動(dòng)程序之后，下一步就是系統(tǒng)設(shè)置（machine specific ）,即匹配如電壓、LD01和NAND等關(guān)系。regulator_set_supply（ LDO1 ”dev, Vcc ”對(duì)于userspace，校準(zhǔn)器的使用是通過(guò)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)一一通過(guò)電流控制LED燈的亮度達(dá)到控制 LCD背光的目的； 音頻單元一

15、一如FM收音機(jī)在MP3使用的時(shí)候應(yīng)該是關(guān)閉的，麥克風(fēng)使用的時(shí)候，揚(yáng)聲器 的放大器應(yīng)該是關(guān)閉的；NAND/NOR存儲(chǔ)器是耗電大戶(hù)，根據(jù)不同操作方式（讀/寫(xiě)、擦除等）優(yōu)化操作模式（控制電流）達(dá)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(dú)立和抽象性，簡(jiǎn)單實(shí)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(gè)集成度很高的電源管理器件上了基于構(gòu)件的面向CPU的電源管理技術(shù)無(wú)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

16、 Linux BSP電源管理部分，都還沒(méi)有一個(gè)構(gòu)建在更高層面的構(gòu) 件級(jí)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(fèi)和嵌入式Linux論壇）和In tel主導(dǎo)的 Mobile &ln ternet Linux項(xiàng)目都設(shè)立了專(zhuān)門(mén)的電源管理計(jì)劃（ power ma nager project ），但是顯然距離人們的要求和實(shí)際的應(yīng)用還太遠(yuǎn)了。Montavista在過(guò)去和IBM合作開(kāi)發(fā)DPM （動(dòng)態(tài)電源管理）技術(shù)的基礎(chǔ)上，最近在 專(zhuān)門(mén)針對(duì)手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)終端、PMP/PDN等便攜消費(fèi)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。Mo ntavista 的構(gòu)件方式主要是

17、針對(duì)以先進(jìn)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(jí)電源管理，它包含下面幾個(gè)主要的部分。1動(dòng)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(huì)讓功耗線性增加，按照設(shè)計(jì)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(diǎn)可以大大降低功耗的有效方法。要想實(shí)現(xiàn)動(dòng)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。User spaceGo rrof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(diǎn)呢？性能要求、省電的要求、用戶(hù)的應(yīng)用以及 CPU的使用效率等

18、條件都可以讓管理者改變操作模式。Mobilinux5.0提供了 userspace機(jī)制充當(dāng)管理者的工作，即應(yīng)用可以改變操作點(diǎn)。在TI OMAP3中有一個(gè)稱(chēng)為 SmartReflex 的技術(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整 VDD1和VDD2操作點(diǎn) 電壓以適應(yīng)芯片特性、溫度和電壓。SmartReflex 技術(shù)有四個(gè)級(jí)別：0級(jí)在工廠生產(chǎn)時(shí)優(yōu)化校準(zhǔn)后設(shè)置的操作點(diǎn)；1級(jí)一一引導(dǎo)時(shí)優(yōu)化后校準(zhǔn)確定的操作點(diǎn)；2級(jí)一一通過(guò)軟件循環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化電壓點(diǎn)然后由CPU的中斷程序設(shè)置；3級(jí)一一完全的硬件循環(huán)優(yōu)化電壓點(diǎn)，無(wú)須CPU干預(yù)，是一種硬件控制傻瓜操作點(diǎn)改變方式。無(wú)論是mobilinux5.0還是TI 3430Linux distribut

19、ion 都已經(jīng)支持 DVFS 和 SmartReflex 驅(qū)動(dòng)。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(dòng)程序的功能，新的驅(qū)動(dòng)必 須要增加回調(diào)函數(shù)以響應(yīng)系統(tǒng)休眠中關(guān)機(jī)和再次喚醒的動(dòng)作。3支持電源管理的驅(qū)動(dòng)程序每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序必須經(jīng)過(guò)重新的書(shū)寫(xiě)支持DVFS，即當(dāng)操作點(diǎn)改變的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)CPUrefs的告知作出響應(yīng)。驅(qū)動(dòng)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(gè)定義的處理器特定的空閑狀態(tài)點(diǎn)的CPUidle驅(qū)動(dòng)管理、內(nèi)核的一個(gè)CPUidle框架和管理者組成，如OMAP3430定義7個(gè)空閑狀態(tài)點(diǎn)。5應(yīng)用設(shè)計(jì)策略4所示。包括手機(jī)在內(nèi)的便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品主要的能耗分布如圖otherCPUMemory LCDDC/OC圖4便攜電子產(chǎn)品能耗分布除了 CPU夕卜，其他主要的能耗大戶(hù)是LCD背光、NOR/NAND Flash/RAM存儲(chǔ)器、DC/DC轉(zhuǎn)換和音視頻放大器等，例如， MPEG