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Linux電源管理研究筆記—動態電源管理(DPM)

 

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作者聯絡方式：Li XianJing <xianjimli at hotmail dot com>

更新時間：2006-12-19

 

在手持裝置設計中，電源管理歷來為重要的研究課題之一。我們日常所說的省電就屬於電源管理的範疇，這也是我們最關心的一個部分。通過掛起不必要的裝置、降低CPU的頻率或者其它方法，可以減少能量的消耗，達到省電的目的。電源管理實際上是一個系統工程，從應用程式到核心框架，再到裝置驅動和硬體裝置，都要參與進來，才能達到電源管理的最優化。本文介紹一下動態電源管理(DPM)。

 

所謂的動態電源管理(DPM)是一種電源管理機制，它允許在系統執行時動態的管理電源，這可能是相對於傳統的電源管理方式而言的，傳統的電源管理方式要求系統要麼掛起（

suspend）以節省能源，要麼恢復(resume)執行讓程式正常工作，這個過程通常要使用者參與(如按鍵)，而且這種狀態切換非常緩慢。在動態電源管理(DPM)中，系統一方面可以關閉暫時不使用的裝置，比如關閉硬碟和顯示器。另外一方面也可以根據負載的重輕，動態調整CPU和匯流排的頻率，以達到節省能源的目的。這都是動態完成的，不需要使用者的干預，而且狀態之間的切換非常快(每秒數百次)。

 

動態電源管理(DPM)是很一個廣泛的概念，很多系統實際上都採用了動態電源管理(DPM)方式，本文要談的是Linux下的動態電源管理(DPM)。Linux很早就採用了動態電源管理，在driver

目錄下有個cpufreq的驅動程式，它就是用來動態調整CPU頻率以降低能源消耗的。

 

不過cpufreq似乎不能用於嵌入式環境，主要原因是：在嵌入式系統中，與LCD顯示屏等外設相比，CPU已經不是能源消耗的大戶了，光調整CPU的頻率用處不大。而且cpufreq還依賴於像ACPI等PC環境，而嵌入式裝置一般都沒有BIOS，電源管理功能只能完全由作業系統實現。cpufreq的實現目前還不太清楚，我們會在後續的文章中繼續研究。

 

就目前掌握的資料來看，用嵌入式Linux系統的動態電源管理只有IBM奧斯汀實驗室和MontaVista聯合開發的動態電源管理(DPM)（http://dynamicpower.sourceforge.net/）。我們將對它的架構做簡要分析，下面提到動態電源管理(DPM)實際上是特指這個解決方案及其實現。

 

我們先介紹幾個重要概念：

1.         operating point: 它實際上就是電源管理的一組配置資料，這組配置資料一旦確定，能源消耗率和系統性能也就確定了。比如:

 

上圖有三個operating point，第一個operating point的名稱為”33/33”，它的配置為:Core Voltage=1.0v、PLL VCO = 800MHz等如表格第二列裡的資料所示。

 

2.         operating state: 它實際上就是系統的執行狀態，比如工作狀態和空閒狀態。不過在dynamicpower中，狀態可以有很多種。同是工作狀態，有高效能工作狀態、中等效能工作狀態和低效能工作狀態等，甚至更多，根據具體的情況而定。

 

3.         policy: 它是電源管理的一個高階抽象。它負責把operating state對映到一個或者一組(class) operating point上。系統中可以有多個policy，但只一個policy處理啟用狀態。

 

4.         class: 代表一組operating point，在狀態切換時，policy選取其中第一個滿足約束條件的operating point作為有效operating point。

 

5.         constraint：它指裝置的約束條件，即只有在滿足約束條件下，裝置才能正常工作，比如LCD要一定匯流排頻率才能正常更新螢幕。在狀態切換時，如果下一狀態對應的operating point不滿足裝置的約束條件，有兩種選擇：要麼強制關閉裝置，要麼狀態切換失敗，根據設定而定。

 

dynamicpower可以認為是一種典型的按照機制與策略分開的模式設計的，它只實現了動態電源管理這種機制，而所有策略完全由使用者空間的應用程式去做實現。總的來說它分為三個層次：

 

1.         API函式庫。這一部分主要是對核心提供的sysfs和proc檔案進行封裝，提供更好用的介面函式。它提供的函式如下：

       

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，上述函式不難理解：首先要建立一些operating point，即各種電源管理配置; 然後把這些operating point組合成class，接下來在operating state和class/operating point之間建立對映關係，這是初始化過程要做的。在系統執行過程中，dpm會自動選擇適當的模式，如果有多種policy，應用程式也可以啟用適當的policy。

 

2.         核心框架程式碼。它的主要功能包括對policy的管理，各種狀態的切換等平臺無關的操作，同時還提供了一些sysfs和proc檔案用來和使用者空間的應用程式互動。它一部分的程式碼主要分佈在下列檔案中：

       

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是核心程式碼，dpm-ui.c和proc.c主要是用於與使用者空間應用程式互動的，其它程式碼則是用於與系統其它部分協調工作的。這一層程式碼不算太複雜，其中最重要的部分是狀態切換，其主要過程如下：

       

dpm_set_os: 切換到新狀態執行。             dpm_enter_state：把dpm_active_state置為新狀態。             dpm_resync：讓新狀態生效。             dpm_choose_opt：找到適當的operating point。             1.對於單個operating point：滿足裝置的約束(constraint)條件嗎？滿足則OK，否則再判斷是否要強制切換。如果是則OK，否則切換失敗。             2.對於一組operating point(class): 從列表中找到第一個滿足約束條件的operating point，找到了則OK。否則切換失敗。             dpm_set_opt: 讓operating point生效。             dpm_md.set_opt: 呼叫依賴於具體平臺的函式設定新的operating point。

 

3.         平臺相關程式碼。為了讓operating point真正生效，通常要修改某些特定的暫存器，這是平臺相關的。比如，在PXA27x上，要修改CCSR、CCCR和CLKCFG等暫存器。這一層要求實現下面幾個介面函式：

       

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);             };

 

       要了解這一層的程式碼，先要熟讀平臺datasheet相關的章節，這裡不再多說。

 

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