Android電源管理系列之基礎知識
本篇文章主要介紹 Android 開發中的電源管理部分知識點，本篇文章轉載網路，通過閱讀本篇文章，您將收穫以下內容:
- Sleep/Suspend
- SPM
- wakeup 喚醒源
原文地址：http://www.robinheztto.com/2017/04/20/android-power-basic/
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我們不是牛逼的程式設計師，我們只是程式開發中的墊腳石。
我們不傳送紅包，我們只是紅包的搬運工。
1. Sleep/Suspend
系統休眠Sleep，Linux Kernel中稱作Suspend。系統進入Suspend狀態確切來說時CPU進入了Suspend模式，因為對整個系統來說CPU休眠是整個系統休眠的先決條件。CPU Suspend即CPU進入Wait for interrupt狀態（WFI），SW完全不跑了，停在suspend workqueue裡面。
Android系統從滅屏到系統進入Suspend的大體流程框架如下:
滅屏到系統進入Suspend的大體流程
/frameworks/base/services/core/java/com/android/server/power/PowerManagerService.java /frameworks/base/services/core/jni/com_android_server_power_PowerManagerService.cpp /system/core/libsuspend/ /kernel-x.x/kernel/power/
2.SPM
SPM即System Power Manager，管理著包括AP，Modem，Connectivity等子系統。在CPU進入WFI狀態後，整個系統就依靠SPM監控各個子系統的狀態來控制睡眠/喚醒的流程。
SPM控制Cpu Suspend之後系統是否能掉到最小電流，當系統的關鍵資源（memory、clock）沒有任何使用的時候，它就會讓系統進入一個真正的深睡狀態（最小電流），但只要檢測到有任何資源請求還沒釋放，系統就無法降到底電流。在底電流的debug流程中，不僅僅要看CPU有沒有Suspend成功，還要看SPM的狀態是否正確。
MTK平臺:
CPU在進入WFI狀態前會把SPM的firmware寫入到SPM裡的可程式設計控制器PCM中（Programmable Command Master），然後PCM就依據firmware的邏輯來控制SPM的工作。系統中存在32k，26M二個時鐘，系統工作在最小電流的時候，SPM只依靠32K時鐘工作，因此要判斷系統是不是已經到深休狀態，就要看26M有沒有關閉。
26M 時鐘邏輯
如上圖所示，26M時鐘有沒有關，只需要看SCLKENA訊號有沒有關閉，而SPM對這個訊號的輸出以及子系統的訊號輸入，都記錄在SPM的暫存器裡面，這個就是我們通過log排查的依據。
相關程式碼如下：
/kernel-x.x/drivers/misc/mediatek/base/power/spm_vx/
3. wakeup 喚醒源
主要涉及以下程式碼
kernel/msm-4.4/drivers/base/power/wakeup.c kernel/msm-4.4/include/linux/pm_wakeup.h kernel/msm-4.4/include/linux/pm.h kernel/msm-4.4/include/linux/device.h
Android以Linux kernel為系統核心，其電源管理也是基於Linux電源管理子系統的，但是由於傳統的Linux系統主要針對PC而非移動裝置，對於PC系統，Linux預設是在使用者不再使用時才再觸發系統進入休眠(STR、Standby、Hibernate)，但是對於移動裝置的使用特點而言，並沒有明確的不再使用裝置的時候，使用者隨時隨地都可能需要使用裝置，於是在Android上就有提出了“Opportunistic suspend”的概念，即逮到機會就睡直到下次被喚醒，以適應移動裝置的使用特點。
早期，Android為解決該問題，在標準Linux的基礎上增加了Early Suspend和Late Resume機制，Early suspend是在熄屏後，提前將一些不會用到的裝置(比如背光、重力感應器和觸控式螢幕等裝置)關閉，但此時系統仍能持有wake lock後臺執行。該方案將Linux原來suspend的流程改變，並增加了Android自己的處理函式，與kernel的流程與機制相沖突，另外一個問題就是存在suspend和wakeup events之間的同步問題，比如當系統進入suspend流程中，會進行freeze process，device prepared，device suspend，disabled irq等操作，如果在suspend流程中有wakeup events產生，而此時系統無法從suspend過程中喚醒。
後來Linux加入wakeup events framework，包括wake lock、wakeup count、autosleep等機制。用來解決system suspend和system wakeup events之間的同步問題。同時在Android4.4中，Android中也去掉了之前的”wakelocks”機制，利用wakeup events framework重新設計了wakelocks，並且維持上層API不變。
system suspend和system wakeup events之間的同步問題:
- 核心空間的同步:
wakeup events產生後，通常是以中斷的形式通知device driver。driver會處理events，處理的過程中，系統不能suspend。 - 使用者空間的同步:
一般情況下，driver對wakeup events處理後，會交給使用者空間程式繼續處理，處理的過程，也不允許suspend。這又可以分為兩種情況：
進行後續處理的使用者程序，根本沒有機會被排程，即該wakeup events無法上報到使用者空間。
進行後續處理的使用者程序被排程，處理的過程中（以及處理結束後，決定終止suspend操作），系統不能suspend。(wake lock功能)
wakeup events framework主要解決上述三個同步問題，核心空間的同步(framework的核心功能)，使用者空間的同步情形1(wakeup count功能)，使用者空間的同步情形2(wake lock功能)。
程式碼分析
下面是wakeup events framework的architecture圖(來自 ofollow,noindex">蝸窩科技 )
wakeup events framework sysfs將裝置的wakeup資訊，以sysfs的形式提供到使用者空間，供使用者空間訪問(在drivers/base/power/sysfs.c中實現)。
wakeup source
在kernel中，只有裝置才能喚醒系統，但並不是所有裝置都具備喚醒系統的能力，具備喚醒能力的裝置即“wakeup source”，會在裝置結構體struce device中標誌該裝置具有喚醒能力。
kernel/msm-4.4/include/linux/device.h
struct device {
...
struct dev_pm_infopower;
struct dev_pm_domain*pm_domain;
...
}
kernel/msm-4.4/include/linux/pm_wakeup.h
static inline bool device_can_wakeup(struct device *dev)
{
return dev->power.can_wakeup;
}
static inline bool device_may_wakeup(struct device *dev)
{
return dev->power.can_wakeup && !!dev->power.wakeup;
}
由device_can_wakeup()函式可知，通過dev->power.can_wakeup來判斷該裝置是否能喚醒系統，struct dev_pm_info的定義如下：
kernel/msm-4.4/include/linux/pm.h
..... unsigned intcan_wakeup:1; ...... #ifdef CONFIG_PM_SLEEP ...... struct wakeup_source*wakeup; ...... #else unsigned intshould_wakeup:1; #endif ...... };
struct dev_pm_info中的can_wakeup標識該裝置是否具有喚醒能力。具備喚醒能力的裝置在sys/devices/xxx/下存在power相關目錄，用於提供所有的wakeup資訊，這些資訊是以struct wakeup_source的結構組織，即struct dev_pm_info中的wakeup指標。
kernel/msm-4.4/include/linux/pm_wakeup.h
/**
* struct wakeup_source - Representation of wakeup sources
*
* @name: 喚醒源的名字
* @entry: 用來將喚醒源掛到連結串列上，用於管理
* @lock: 同步機制，用於訪問連結串列時使用
* @wakeirq:Optional device specific wakeirq
* @timer: 定時器，用於設定該喚醒源的超時時間
* @timer_expires:定時器的超時時間
* @total_time:wakeup source處於active狀態的總時間，可指示該wakeup source對應的裝置的繁忙程度、耗電等級
* @max_time: wakeup source處於active狀態的最長時間（越長越不合理）
* @last_time: wakeup source處於active狀態的上次時間
* @prevent_sleep_time: wakeup source阻止系統自動休眠的總時間
* @event_count:wakeup source上報wakeup event的個數
* @active_count: wakeup source處於active狀態的次數
* @relax_count: wakeup source處於deactive狀態的次數
* @expire_count: wakeup source timeout次數
* @wakeup_count: wakeup source abort睡眠的次數
* @active: wakeup source的狀態
* @has_timeout: The wakeup source has been activated with a timeout.
*/
struct wakeup_source {
const char*name;
struct list_headentry;
spinlock_tlock;
struct wake_irq*wakeirq;
struct timer_listtimer;
unsigned longtimer_expires;
ktime_t total_time;
ktime_t max_time;
ktime_t last_time;
ktime_t start_prevent_time;
ktime_t prevent_sleep_time;
unsigned longevent_count;
unsigned longactive_count;
unsigned longrelax_count;
unsigned longexpire_count;
unsigned longwakeup_count;
boolactive:1;
boolautosleep_enabled:1;
};
wakeup source代表一個具有喚醒能力的裝置，該裝置產生的可以喚醒系統的事件，就稱作wakeup event。當wakeup source產生wakeup event時，需要將wakeup source切換為activate狀態；當wakeup event處理完畢後，要切換為deactivate狀態。當wakeup source產生wakeup event時，需要切換到activate狀態，但並不是每次都需要切換，因此有可能已經處於activate狀態了。因此active_count可能小於event_count，換句話說，很有可能在前一個wakeup event沒被處理完時，又產生了一個，這從一定程度上反映了wakeup source所代表的裝置的繁忙程度。wakeup source在suspend過程中產生wakeup event的話，就會終止suspend過程，wakeup_count記錄了wakeup source終止suspend過程的次數（如果發現系統總是suspend失敗，檢查一下各個wakeup source的該變數，就可以知道問題出在誰身上了）。
為了方便檢視系統的wakeup sources的資訊，linux系統在/sys/kernel/debug下建立了一個”wakeup_sources”檔案，此檔案記錄了系統的喚醒源的詳細資訊。
kernel/msm-4.4/drivers/base/power/wakeup.c
static int wakeup_sources_stats_show(struct seq_file *m, void *unused)
{
struct wakeup_source *ws;
seq_puts(m, "name\t\tactive_count\tevent_count\twakeup_count\t"
"expire_count\tactive_since\ttotal_time\tmax_time\t"
"last_change\tprevent_suspend_time\n");
rcu_read_lock();
list_for_each_entry_rcu(ws, &wakeup_sources, entry)
print_wakeup_source_stats(m, ws);
rcu_read_unlock();
print_wakeup_source_stats(m, &deleted_ws);
return 0;
}
static int wakeup_sources_stats_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
return single_open(file, wakeup_sources_stats_show, NULL);
}
static const struct file_operations wakeup_sources_stats_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = wakeup_sources_stats_open,
.read = seq_read,
.llseek = seq_lseek,
.release = single_release,
};
static int __init wakeup_sources_debugfs_init(void)
{
wakeup_sources_stats_dentry = debugfs_create_file("wakeup_sources",
S_IRUGO, NULL, NULL, &wakeup_sources_stats_fops);
return 0;
}
postcore_initcall(wakeup_sources_debugfs_init);
如下圖示，通過 cat /sys/kernel/debug/wakeup_sources 獲取 wakeup_sources 資訊：
機制
wakeup events framework中抽象了wakeup source和wakeup event的概念，向各個device driver提供wakeup source的註冊、使能等及wakeup event的上報、停止等介面，同時也向上層提供wakeup event的查詢介面，以判斷是否可以suspend或者是否需要終止正在進行的suspend。
pm_stay_awake()
當裝置有wakeup event正在處理時，需要呼叫該介面通知PM core，該介面的實現如下：
kernel/msm-4.4/drivers/base/power/wakeup.c
void pm_stay_awake(struct device *dev)
{
unsigned long flags;
if (!dev)
return;
spin_lock_irqsave(&dev->power.lock, flags);
__pm_stay_awake(dev->power.wakeup);
spin_unlock_irqrestore(&dev->power.lock, flags);
}
void __pm_stay_awake(struct wakeup_source *ws)
{
unsigned long flags;
if (!ws)
return;
spin_lock_irqsave(&ws->lock, flags);
wakeup_source_report_event(ws);
del_timer(&ws->timer);
ws->timer_expires = 0;
spin_unlock_irqrestore(&ws->lock, flags);
}
static void wakeup_source_report_event(struct wakeup_source *ws)
{
ws->event_count++;
/* This is racy, but the counter is approximate anyway. */
if (events_check_enabled)
ws->wakeup_count++;
if (!ws->active)
wakeup_source_activate(ws);
}
pm_stay_awake中直接呼叫pm_stay_awake，\pm_stay_awake直接呼叫wakeup_source_report_event。
kernel/msm-4.4/drivers/base/power/wakeup.c
static void wakeup_source_report_event(struct wakeup_source *ws)
{
ws->event_count++;
/* This is racy, but the counter is approximate anyway. */
if (events_check_enabled)
ws->wakeup_count++;
if (!ws->active)
wakeup_source_activate(ws);
}
wakeup_source_report_event中增加wakeup source的event_count次數，即表示該source又產生了一個event。然後根據events_check_enabled變數的狀態，增加wakeup_count。如果wakeup source沒有active，則呼叫wakeup_source_activate進行activate操作。
kernel/msm-4.4/drivers/base/power/wakeup.c
static void wakeup_source_activate(struct wakeup_source *ws)
{
unsigned int cec;
/*
* active wakeup source should bring the system
* out of PM_SUSPEND_FREEZE state
*/
freeze_wake();
ws->active = true;
ws->active_count++;
ws->last_time = ktime_get();
if (ws->autosleep_enabled)
ws->start_prevent_time = ws->last_time;
/* Increment the counter of events in progress. */
cec = atomic_inc_return(&combined_event_count);
trace_wakeup_source_activate(ws->name, cec);
}
wakeup_source_activate中首先呼叫freeze_wake，將系統從suspend to freeze狀態下喚醒，然後設定active標誌，增加active_count，更新last_time。如果使能了autosleep，更新start_prevent_time，此刻該wakeup source會開始阻止系統auto sleep。增加“wakeup events in progress”計數，增加該計數意味著系統正在處理的wakeup event數目不為零，即系統不能suspend。
pm_relax()
pm_relax 和 pm_stay_awake 成對出現，用於在wakeup event處理結束後通知PM core，其實現如下
kernel/msm-4.4/drivers/base/power/wakeup.c
void pm_relax(struct device *dev)
{
unsigned long flags;
if (!dev)
return;
spin_lock_irqsave(&dev->power.lock, flags);
__pm_relax(dev->power.wakeup);
spin_unlock_irqrestore(&dev->power.lock, flags);
}
void __pm_relax(struct wakeup_source *ws)
{
unsigned long flags;
if (!ws)
return;
spin_lock_irqsave(&ws->lock, flags);
if (ws->active)
wakeup_source_deactivate(ws);
spin_unlock_irqrestore(&ws->lock, flags);
}
pm_relax中直接呼叫pm_relax，\pm_relax判斷wakeup source如果處於active狀態，則呼叫wakeup_source_deactivate介面，deactivate該wakeup source
kernel/msm-4.4/drivers/base/power/wakeup.c
static void wakeup_source_deactivate(struct wakeup_source *ws)
{
unsigned int cnt, inpr, cec;
ktime_t duration;
ktime_t now;
ws->relax_count++;
if (ws->relax_count != ws->active_count) {
ws->relax_count--;
return;
}
ws->active = false;
now = ktime_get();
duration = ktime_sub(now, ws->last_time);
ws->total_time = ktime_add(ws->total_time, duration);
if (ktime_to_ns(duration) > ktime_to_ns(ws->max_time))
ws->max_time = duration;
ws->last_time = now;
del_timer(&ws->timer);
ws->timer_expires = 0;
if (ws->autosleep_enabled)
update_prevent_sleep_time(ws, now);
/*
* Increment the counter of registered wakeup events and decrement the
* couter of wakeup events in progress simultaneously.
*/
cec = atomic_add_return(MAX_IN_PROGRESS, &combined_event_count);
trace_wakeup_source_deactivate(ws->name, cec);
split_counters(&cnt, &inpr);
if (!inpr && waitqueue_active(&wakeup_count_wait_queue))
wake_up(&wakeup_count_wait_queue);
}
至此，本篇已結束，如有不對的地方，歡迎您的建議與指正。期待您的關注，
感謝您的閱讀，謝謝！
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