嵌入式设备电源管理的操作系统策略

在过去十年中，嵌入式设备的操作系统 （OS） 发生了显着发展，解决了日益增长的处理器复杂性问题，并为开发复杂的应用程序提供了更完整的软件平台。然而，直到现在，电源管理仍然是事后的想法。随着电源效率成为当今电子行业面临的主要问题之一，操作系统在能源管理中发挥着举足轻重的作用。

更智能的操作系统

操作系统最终控制所有设备，因此必须决定关闭什么以及何时关闭。但是电源管理提出了一些操作系统必须解决的问题。可以控制哪些设备？在低功耗状态下节省了多少电量，进入这些状态时是否必须保存一些上下文？恢复全功率需要多长时间？这些问题的答案因设备而异，因此操作系统必须能够处理各种可能性。

考虑以下实际情况。如果操作系统关闭了某个设备并且很快又需要该设备，则在重新启动时可能会出现令人讨厌的延迟。另一方面，如果操作系统等待关闭设备的时间过长，就会白白浪费能源。然后，目标是找到让操作系统就关闭什么和何时关闭做出明智决定的算法和方法。

反应式方法

无功功率管理代表了最基本的功率管理方法。今天的系统已经包含了电源管理的原始元素。例如，芯片制造商多年来一直在其设备中设计电源管理设施。有些是自动的，实现起来开销很小；其他人需要软件来管理系统。

但是，并非所有实时操作系统 （RTOS） 都提供限制功耗的必要功能。许多嵌入式操作系统旨在引导设备并启用板上的所有驱动程序和网络。但是，当将缺乏电源管理视为一项成本时，将每个设备一年的供电成本乘以世界上所有数十亿台设备，很快就会导致数百兆瓦时的电力浪费。

很明显，系统必须变得更加节能，而无功功率管理是实现这一目标的第一步。设计人员必须首先了解每个设备在系统中的角色、其使用生命周期、与它相关的其他设备、它提供的控制以及如何通过启用反应性方法来最大限度地减少其功耗。

实施无功功率管理涉及系统中每个功率域的状态机。电源域是可以控制以最小化功耗的芯片或组件的区域。如果一个芯片可以断电或进入低功耗状态，那么它就是一个电源域。属于该域的所有设备都由它控制。如果电源域由以太网控制器和 USB 控制器组成，并且其中任何一个都需要全电平电源，则电源域必须打开。但是，如果没有一个都在使用电源，则可以将其断电。

此外，电源域与其他设备有关联。一个典型的例子是 LCD 及其背光。设计人员可以监控 LCD 上什么时候不会显示任何内容，并且可以通过关闭背光来缩减背光消耗的功率。但是键盘呢？它必须在某个级别开启，并且可能一直开启。当有人触摸一个键时，他们期望处于半功率状态的背光将被带至全功率。这是一个权力协会。

设备可以有非常简单的状态机和相关的超时，并且会响应一个过期的定时器来改变状态。这是无功功率管理；电源决定是根据设备最后一次使用的时间做出的。采用这些技术的嵌入式系统制造商将立即看到其设备的节能效果。

主动策略

主动式电源管理是设计人员可以预测未来的概念。当然，这是不可能的；但是，设计人员可以使用复杂的调度技术来预测系统运行时的功耗。这些数据可以通过使用电力使用场景对系统进行编程或通过动态测量哪些域处于活动状态以及何时处于活动状态来手动发现。

例如，如果一个系统有 10 个任务并且所有任务都准备好运行，那么设计人员可以预期系统会在一段时间内忙于运行这些任务。以高功率运行 CPU 是有意义的。但是，哪些 10 个任务正在运行可能会产生显着差异。如果设计人员能够确定每次某个任务准备好运行（不管它实际是否被调度），系统将增加其功耗；然后他们可以使用动态电压和频率缩放 （DVFS） 来提供足够的周期来完成工作而不会浪费电子。这说明了为什么在某些情况下，最好现在消耗更多的电量，以免在等待电源模式更改时降低用户体验的质量。

生态设计，打造更绿色的明天

设备集成商必须采取全面的节能方法，从能够缩减功耗的硬件和基础设施开始，并采用能够控制设备整体功耗的软件。这种方法的核心是结合了被动式和主动式电源管理技术的电源感知操作系统平台。追求更节能设备的制造商将通过延长电池寿命来使他们的客户受益，同时为我们所有人留下更环保的遗产。

审核编辑：郭婷