基于Linux的动态电源管理设计

为了在产品众多、竞争激烈的市场上使产品与众不同，手持设备的制造商们往往把电池寿命和电源管理作为手机、PDA、多媒体播放器、游戏机、其它便携式消费类设备等产品的关键卖点来考虑。用户是从电池寿命这方面来看待电源管理的成效，其实它是多种因素共同作用的结果，这些因素包括 CPU 功能、系统软件、中间件，以及使用户可以在更长的充电或更换电池的间隔时间内享用各自设备的策略。
　　电源管理范围
　　任何拥有笔记本电脑的人都会感觉到，他们的这种便携式设备依靠电池运行时，与依靠交流电（主电源）运行对比，行为表现不一样，屏幕变暗了，处理器时钟变慢了，并且系统只要有可能，就会转入待机或睡眠状态。
　　另外，PDA 的拥有者们还发现，在设备停用一段时间之后，屏幕会变暗，设备甚至进入睡眠状态，而手机用户会注意到，拨号之后，背光和按键照明光熄灭了。在肉眼能够察觉的这些行为的背后，是若干软硬件技术和策略在起作用。
　　
　　明显的行为如全速运行、待机和睡眠等，充分利用了 CPU 本身的功能来降低工作电压和/或时钟频率，从而省电。大多数设备用户觉察不到的是，实际的电源管理还可以是渐增的，并且可以每秒发生好几百次，而不是整个系统状态大规模变化。
　　任何动态电源管理 （DPM） 战略开始都是调节便携式设备中存在的一个或多个处理器内核的工作电压和频率——高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86 的系统通常配备一块 DSP 或智能基带处理器。实际上，Intel XScale 和 TI OMAP 等处理器系列提供了内核电压和频率的动态调节。不过，现代嵌入式处理器的用电效率非常高，以至于 CPU 并不总是主要的耗能器件，其它大能耗器件可能包括高性能存储器、彩色显示器和无线接口。因此，动态电源管理系统如果只关注对处理器内核的电压和频率进行调节的话，那么它的用途也许很有限。
　　真正有用的电源管理方案将支持各种电压和时钟的快速调节，既可以与 CPU 内核的运行协同进行，也可以独立进行。
　　架构
　　两种现有的电源管理方案是来自“白箱”PC 及笔记本电脑领域，第一种是传统的“高级电源管理”（Advanced Power Management，简称 APM）方案，仍用于许多基于 Linux 的便携式设备中，而基于微软操作系统的笔记本电脑和手持设备已停止采用这种方案了，第二种是“高级配置和电源接口”（Advanced Configuration and Power Interface，简称 ACPI），这种现行标准得到了英特尔、东芝等公司的支持。对于 PC、笔记本电脑、服务器、甚至面向通信设备的刀片服务器等“商业成品”（commercial off-the-shelf，简称 COTS）硬件，ACPI 等系统更受青睐，不过它们表现出对目前盛行的 x86/IA-32 BIOS 架构的强烈依赖。
　　嵌入式系统通常没有 BIOS（在 PC/AT 的意义上），并且通常无法奢侈地配备机器抽象，来把操作系统与低层器件和电源管理活动隔离开来。因此，在嵌入式 Linux 中，就像在其它针对电池供电应用的操作系统一样，电源管理活动需要对操作系统内核以及设备驱动程序做特殊干预。不过请注意一件重要事情，虽然动态电源管理的低层实现是驻留在操作系统内核，但电源管理战略及策略可以源自中间件和用户应用软件代码，实际也是如此。
　　接口和 API
　　理想状况下，电源管理系统对于软件堆栈的尽可能多的层次而言，几乎是完全透明的。实际上，这正是 Transmeta 公司在其 Crusoe 架构中遵循的路线，并且已经成为现有的各种基于 BIOS 的电源管理方案的目标。不过，拥有手持设备制造经验的开发人员将证明这一事实：整个系统的各个部分都需要某种程度的直接参与，如下所述：
　　内核接口 在针对 Linux 的 DPM 架构中，内核中的 DPM 子系统负责维持系统的电源状态，并把 DPM 系统的各个电源得到管理的元件联系在一起。DPM 子系统通过多个 API 直接与设备驱动程序通信，这些 API 把驱动程序从完全运行状态转为各种电源得到管理的状态。策略管理器（或应用软件自身）通过多个 API 向 DPM 子系统提供指导，这些 API 定义各种策略，并在定义好的运行点之间转移整个系统。
　　驱动程序接口 启用了 DPM 的设备驱动程序比默认驱动程序具有更多“状态”：由外部事件通过各种状态来驱动它们，或通过来自内核 DPM 子系统的回调来驱动它们，从而反映并遵循运行策略。驱动程序 API 还允许驱动程序登记它们连接和管理的各个设备的基本运行特征，从而实现更精细的策略决策。
　　用户程序 API 用户程序（应用软件）分为三类：
　　·可感知电源管理的应用软件
　　·可感知电源管理的“包装器”中的传统应用软件
　　·不带电源管理的传统应用软件
　　可感知电源管理的应用软件能够充分利用来自策略管理器的 API，从而建立各自的基础约束，并强制电源管理策略发生变化，以便匹配各自的执行要求。不直接带有电源管理功能的传统应用软件可以“包装”到代码或补丁中，从而实现相当的效果，它们还可以按照默认行为来运行，这取决于更宽范围的默认策略管理。
　　嵌入式 Linux DPM 下的实际机制包括各种 API，比如 dpm_set_os（）（内核）、assert_constraint（）、remove_constraint（） 和 set_operating_state（）（内核和驱动程序）、set_policy（） 和 set_task_state（）（经由系统调用的用户级接口），以及 /proc 接口。
　　借助 DPM 实现节能
　　独特的节能机会
　　DPM 的定义性特征是电源管理的迅速、高频率性质。传统的台式机/笔记本电脑范例的运行速度是以数百毫秒或数秒计，与此不同的是，DPM 使各设备的管理速度只受限于改变供电电压 （T芕） 或 CPU 时钟 （T颇） 所需的时间。