前言

隨著各種便攜嵌入式設備性能的日益提高，功能日益豐富，其電源緊張的問題也日益突出，國內(nèi)新推出的某些具有pDA等多種功能的智能電話在密集使用下只能維持半天，多數(shù)攝像機和數(shù)碼相機在一次充電后都只有一個小時左右的累積工作時間。Linux作為一個開放源代碼的操作系統(tǒng)，擁有非常豐富的軟件資源和平臺支持，這使得嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的周期大大縮短，越來越多的商用和通用嵌入式系統(tǒng)都采用Linux作為軟件平臺。因此有必要對Linux系統(tǒng)的電源管理機制進行深入研究。

Linux內(nèi)核電源管理機制分析

Linux作為一個強大而成熟的操作系統(tǒng)，本身供應了一套從用戶空間到系統(tǒng)空間的，由上而下的軟件電源管理機制。

電源管理子系統(tǒng)

Linux內(nèi)核實現(xiàn)了一個電源管理子系統(tǒng)用于統(tǒng)一管理每個設備。源代碼pm.h和pm.c中含義和實現(xiàn)了重要的接口函數(shù)。如表1所示。

通過這些接口函數(shù)就可以將自己的硬件設備納入電源管理子系統(tǒng)使其成為系統(tǒng)電源管理的一部分。這要在編寫設備驅動程序的時候完成下面的工作:

1）在初始化驅動時，使用pm_regiSTer對設備的每個實例（instance）進行注冊;在清除驅動時使用pm_unregister來取消設備的注冊。

（2）在對硬件進行操作之前調用pm_access（這樣會保證設備已被喚醒并且處于ready狀態(tài)）。

（3）編寫自己的pm_callback函數(shù)。開發(fā)人員應該在設備或系統(tǒng)進入suspend狀態(tài)時保留設備和系統(tǒng)的上下文到安全的地方，并在設備或系統(tǒng)re-sume時恢復其上下文，使之能夠繼續(xù)運行，編寫pm_callback函數(shù)是驅動實現(xiàn)設備電源管理的重點。

（4）當設備不在被使用的時候調用pm_dev_idle函數(shù)，這個操作是可選的，可以增強設備idle狀態(tài)的監(jiān)測能力。

電源管理設備

將設備加入到電源管理子系統(tǒng)后，該設備就已經(jīng)有了處理電源管理請求的能力，但是系統(tǒng)的電源管理行為并不會主動發(fā)生。因此還要一個電源管理設備來接受用戶請求，出現(xiàn)電源管理行為。這里所指的設備并不是一個真實的硬件設備，而是一個在Linux系統(tǒng)空間里接受用戶控制的虛擬設備，它可以是一個簡單的字符型設備。有了這個設備，就可以方便的實現(xiàn)來自于用戶空間的電源管理請求和方法。Linux電源管理行為過程如圖1所示。

圖1Linux電源管理行為過程

Linux的電源管理機制在ipAQ上的應用

ipAQ是康柏公司（現(xiàn)在已和惠普公司合并）推出的基于StrONgARMCpU的高性能掌上電腦，不僅供應了卓越的個人信息管理工具，還集成了較為強大的多媒體功能和其他娛樂功能。Linux2.4的內(nèi)核已經(jīng)被成功的移植到上面，基于Linux系統(tǒng)眾多的應用軟件也已經(jīng)或正在被移植。

ipAQ硬件耗電量分析

要實現(xiàn)對ipAQ耗電量的有效調節(jié)，就必須清楚各個硬件耗電量，從而確定出要管理和調節(jié)的對象。ipAQ上的各種硬件的耗電量比例如圖2所示。

圖2ipAQ上的各種硬件的耗電量比例

可見，F(xiàn)rontlight、LCD、SDRAM、Audio、CpU等是重要的耗電設備，應該盡可能的減少這些設備的工作時間和強度，以減少耗電量，其關鍵步驟如下:首先，開啟SDRAM的自動節(jié)能模式。ipAQ所使用的SA-1110支持SDRAM的自動節(jié)能模式;在這種模式中，當內(nèi)存不被使用時，CpU將關閉輸入到內(nèi)存的時鐘信號，內(nèi)存停止工作;這樣將減少大約190mW的功率。

接著，調節(jié)顯示驅動?？梢赃x擇（1）在必要的時候關閉背光;（2）降低LCD的刷新率。LCD在正常情況下刷新率是60Hz，通過調節(jié)LCD按時器可以調節(jié)LCD的刷新率使其低于60Hz。降低LCD刷新率后，可以減少SDRAM，總線的使用和減少功耗;（3）在不使用屏幕的時候關閉LCD控制器。

隨后，降低時鐘頻率。SA-1110的時鐘頻率可以在57.3MHz到214.8MHz之間動態(tài)調節(jié)。降低CpU時鐘頻率可以減少CpU本身的功耗，同時也能減少時鐘由CpU供應的其他硬件的功耗。例如:SA-1110工作在最低頻率時可比工作在最高頻率時減少100mW到200mW的功耗。

最后，關閉音頻芯片。在不使用聲音的時候，盡量關閉音頻芯片，并保持CpU到音頻芯片的低輸入。

通過Linux電源管理機制及上層應用實現(xiàn)對ipAQ電源管理和耗電量調節(jié)

確定了要調控的對象和方法后，要通過Linux的電源管理機制和上層應用軟件來實現(xiàn)對這些硬件設備的控制。這包括編寫CpU電源管理代碼、外設驅動程序及電源管理代碼、電源管理設備實現(xiàn)代碼和用戶空間控制應用代碼。

（1）實現(xiàn)SA-1110進入Sleep電源模式的代碼

SA-1110有Normal，Idle，Sleep等幾種電源模式，其中在Sleep模式下，SA-1110具有最小的電力消耗。由于SA-1110進入Sleep模式后，到外設和SDRAM的時鐘將停止，多數(shù)的寄存器信息將丟失。因此要事先將重要的寄存器值保存到內(nèi)存中，并將SDRAM設置為自刷新模式，以保持SDRAM中的數(shù)據(jù)。當SA-1110收到硬件中斷等喚醒源退出Sleep模式后不會接著執(zhí)行先前未執(zhí)行的指令，而是回到初始狀態(tài)去執(zhí)行啟動代碼。因此為了讓CpU在喚醒后能夠持續(xù)的工作，要將返回代碼的地址保存到powerManagerScratchpadRegister（pSpR）寄存器中，使得啟動代碼能讓CpU重新跳到返回代碼的地址處，執(zhí)行返回代碼從而回到睡眠前的工作。