便携嵌入式设备电源管理解决方案
前 言
随着各种便携嵌入式设备性能的日益提高，功能日益丰富，其电源紧张的问题也日益突出，国内新推出的某些具有PDA等多种功能的智能电话在密集使用下只能维持半天，多数摄像机和数码相机在一次充电后都只有一个小时左右的累积工作时间。Linux作为一个开放源代码的操作系统，拥有非常丰富的软件资源和平台支持，这使得嵌入式系统开发的周期大大缩短，越来越多的商用和通用嵌入式系统都采用Linux作为软件平台。因此有必要对Linux系统的电源管理机制进行深入研究。
Linux内核电源管理机制分析
Linux作为一个强大而成熟的操作系统，本身提供了一套从用户空间到系统空间的，由上而下的软件电源管理机制。
电源管理子系统
Linux内核实现了一个电源管理子系统用于统一管理每个设备。源代码pm.h和pm.c中定义和实现了主要的接口函数。如表1所示。
通过这些接口函数就可以将自己的硬件设备纳入电源管理子系统使其成为系统电源管理的一部分。这需要在编写设备驱动程序的时候完成下面的工作:
(1)在初始化驱动时，使用pm_ register对设备的每个实例( instance)进行注册;在清除驱动时使用pm_unregister来取消设备的注册。
(2)在对硬件进行操作之前调用pm_access (这样会保证设备已被唤醒并且处于ready状态) 。
(3)编写自己的pm _callback函数。开发人员应该在设备或系统进入suspend状态时保留设备和系统的上下文到安全的地方，并在设备或系统re -sume时恢复其上下文，使之能够继续运行，编写pm_callback函数是驱动实现设备电源管理的重点。
(4)当设备不在被使用的时候调用pm_dev_idle函数，这个操作是可选的，可以增强设备idle状态的监测能力。
电源管理设备
将设备加入到电源管理子系统后，该设备就已经有了处理电源管理请求的能力，但是系统的电源管理行为并不会主动发生。因此还需要一个电源管理设备来接受用户请求，产生电源管理行为。这里所指的设备并不是一个真实的硬件设备，而是一个在Linux系统空间里接受用户控制的虚拟设备，它可以是一个简单的字符型设备。有了这个设备，就可以方便的实现来自于用户空间的电源管理请求和方案。Linux电源管理行为过程如图1所示。
Linux的电源管理机制在iPAQ上的应用
iPAQ是康柏公司(现在已和惠普公司合并)推出的基于StrongARM CPU 的高性能掌上电脑，不仅提供了卓越的个人信息管理工具，还集成了较为强大的多媒体功能和其他娱乐功能。Linux 2.4的内核已经被成功的移植到上面，基于Linux系统众多的应用软件也已经或正在被移植。
iPAQ硬件耗电量分析
要实现对iPAQ 耗电量的有效调节，就必须清楚各个硬件耗电量，从而确定出需要管理和调节的对象。iPAQ上的各种硬件的耗电量比例如图2所示。
可见， Frontlight、LCD、SDRAM、Audio、CPU等是主要的耗电设备，应该尽可能的减少这些设备的工作时间和强度，以减少耗电量，其关键步骤如下:首先，开启SDRAM的自动节能模式。iPAQ所使用的SA -1110支持SDRAM的自动节能模式;在这种模式中，当内存不被使用时， CPU 将关闭输入到内存的时钟信号，内存停止工作;这样将减少大约190mW的功率。
接着，调节显示驱动。可以选择( 1)在必要的时候关闭背光; ( 2)降低LCD的刷新率。LCD在正常情况下刷新率是60Hz，通过调节LCD 定时器可以调节LCD的刷新率使其低于60Hz。降低LCD刷新率后，可以减少SDRAM，总线的使用和减少功耗; (3)在不使用屏幕的时候关闭LCD控制器。
随后，降低时钟频率。SA - 1110的时钟频率可以在57. 3MHz到214. 8MHz之间动态调节。降低CPU时钟频率可以减少CPU本身的功耗，同时也能减少时钟由CPU提供的其他硬件的功耗。例如: SA- 1110工作在最低频率时可比工作在最高频率时减少100mW到200mW的功耗。
最后，关闭音频芯片。在不使用声音的时候，尽量关闭音频芯片，并保持CPU 到音频芯片的低输入。
通过Linux电源管理机制及上层应用实现对iPAQ电源管理和耗电量调节
确定了要调控的对象和方法后，需要通过L inux的电源管理机制和上层应用软件来实现对这些硬件设备的控制。这包括编写CPU电源管理代码、外设驱动程序及电源管理代码、电源管理设备实现代码和用户空间控制应用代码。
(1)实现SA - 1110进入Sleep电源模式的代码
SA -1110有Normal， Idle， Sleep 等几种电源模式，其中在Sleep模式下， SA -1110具有最小的电力消耗。由于SA -1110 进入Sleep 模式后，到外设和SDRAM的时钟将停止，多数的寄存器信息将丢失。因此需要事先将重要的寄存器值保存到内存中，并将SDRAM设置为自刷新模式，以保持SDRAM中的数据。当SA -1110 收到硬件中断等唤醒源退出Sleep模式后不会接着执行先前未执行的指令，而是回到初始状态去执行启动代码。因此为了让CPU在唤醒后能够持续的工作，需要将返回代码的地址保存到PowerManager Scratch Pad Register ( PSPR)寄存器中，使得启动代码能让CPU重新跳到返回代码的地址处，执行返回代码从而回到睡眠前的工作。
SA - 1110进入Sleep模式的代码片断如下:
extern void cpu_sa1110_resume ( void) ; /3 SA - 1110返回函数3 /
extern int cpu_sa1110_do_suspend ( void) ; /3 SA - 1110睡眠函数3 /
int sa1110_suspend ( void)
{
. . .
cli ( ) ; /3 关闭中断3 /
sys_ctx. osmr0 = OSMR0; /3 保存重要的寄存器3 /
. . .
sys_ctx. p sdr = PSDR;
. . .
PSPR = virt_to_phys ( cpu_sa1100_resume) ; /3 设置返回函数地址3 /
cpu_sa1110_do_suspend ( ) ; /3 进入睡眠3 //3 退出睡眠3 /
GPDR = sys_ctx. gpdr; /3 恢复寄存器3 /
GRER = sys_ctx. grer;
GFER = sys_ctx. gfer;
GAFR = sys_ctx. gafr;
. . .
sti ( ) ; /3 启动中断3 /
return 0;
}
(2)实现各个外设的电源管理代码
利用Linux内核提供电源管理子系统，可以将iPAQ中的每个需要实现电源管理的外部设备纳入统一的管理。这需要在各个设备的驱动程序中使用电源管理子系统的接口函数(如2. 1所描述)和实际的硬件操作代码，这里将以显示设备为例:
/3 SA - 1110 frame buffer电源管理请求处理函数3 /
static int sa1110fb_pm_callback ( struct pm_dev 3 pm_dev， pm
_request_t req， void 3 data)
{
struct sa1110fb_info 3 fbi = pm_dev - > data;
if ( req = = PM_SUSPEND | | req = = PM_RESUME) {
int state = ( int) data;
if ( state = = 0) {
set_ctrlr_ state ( fbi， C_ENABLE) ; /3 进入D0 模式，开启LCD控制器3 /
} else {
set_ctrlr_state ( fbi， C_D ISABLE) ; /3 进入D1 - D3模式关闭LCD 控制器. 3 /
} }
return 0;
}
/3 SA - 1110 frame buffer驱动初始化函数3 /
int __init sa1110fb_init ( void)
{
struct sa1110fb_info 3 fbi;
int ret;
. . .
/3 在电源管理子系统中注册3 /
fbi - > pm = pm _ register ( PM _SYS_DEV， PM _SYS_VGA，
sa1110fb_pm_callback) ;
if ( fbi - > pm)
fbi - > pm - > data = fbi; /3 设置私有数据3 / . . .
return ret;
}
(3)实现电源管理设备
这个设备实际是用于接受用户空间程序的控制所用，所以只需要简单的实现“ioctl”调用就可以了。
/3 ioctl调用方法3 /
static int do_ioctl ( struct inode 3 inode， struct file 3 filp， u_int
cmd， u_long arg)
{ . . .
switch ( cmd) {
case APM_ IOC_STANDBY: {
pm_send_all ( PM_SUSPEND， ( void 3 ) 2) ; /3 外设挂起3 /
} break;
case APM_ IOC_RESUME: {
pm_send_all ( PM_RESUME， ( void 3 ) 0) ; /3 外设唤醒3 /
} break;
case APM_ IOC_SUSPEND: {
pm_send_all ( PM_SUSPEND， ( void 3 ) 2) ; /3 外设挂起3 /
sa1110_suspend ( ) ; /3 CPU进入休眠模式3 /
/3 CPU醒来，继续执行3 /
pm_send_all ( PM_RESUME， ( void 3 ) 0) ; /3 唤醒外设3 /
} break;
default:
return - EINVAL;
}
return 0;
}
最后，使用命令“mknod /dev/ apm c 254 0”，可以在文件系统中建立起该设备的访问节点。该节点名为/dev/ apm，是一个字符设备( c) ，主设备号为254，此设备号为0。
(4)编写用户空间电源管理程序
用户可以在适当的时候选择是否改变CPU的时钟频率和显示刷新率，是否关闭某些外部设备，是否使整个系统进入睡眠模式等等。这只需要使用系统调用“ioctl”对电源管理设备( /dev/ apm)发送命令就可以了。
int fd;
. . .
fd = open ( " /dev/ apm" ， O_RDONLY) ; /3 打开电源管理设备3 /
ioctl ( fd， APM_ IOC_SUSPEND，NULL) ; /3 发送电源管理命令3 /
close ( fd) ; /3 关闭电源管理设备3 /
实现iPAQ电源管理前后耗电量比较
实现电源管理以前:开启LCD， CPU 处于空闲状态，大多数其他芯片关闭，功耗为470mW。实现电源管理以后:在电源管理前的基础上开启SDRAM 的自动节能模式，功耗下降到280mW。然后降低LCD刷新率到30Hz， 功耗下降到238mW。再把CPU频率降低到57. 3MHz，功耗下降到172mW。最后关闭LCD，功耗下降到98mW。可见，通过本文方案的调节和优化， iPAQ的耗电量确实可以得到有效地改善，最大优化后的耗电量仅为优化前的五分之一，从而大大提高了iPAQ的电池使用时间。
结 论
在嵌入式设备中，电源管理是一个硬件和软件相结合的系统工程。本文介绍
随着各种便携嵌入式设备性能的日益提高，功能日益丰富，其电源紧张的问题也日益突出，国内新推出的某些具有PDA等多种功能的智能电话在密集使用下只能维持半天，多数摄像机和数码相机在一次充电后都只有一个小时左右的累积工作时间。Linux作为一个开放源代码的操作系统，拥有非常丰富的软件资源和平台支持，这使得嵌入式系统开发的周期大大缩短，越来越多的商用和通用嵌入式系统都采用Linux作为软件平台。因此有必要对Linux系统的电源管理机制进行深入研究。
Linux内核电源管理机制分析
Linux作为一个强大而成熟的操作系统，本身提供了一套从用户空间到系统空间的，由上而下的软件电源管理机制。
电源管理子系统
Linux内核实现了一个电源管理子系统用于统一管理每个设备。源代码pm.h和pm.c中定义和实现了主要的接口函数。如表1所示。
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通过这些接口函数就可以将自己的硬件设备纳入电源管理子系统使其成为系统电源管理的一部分。这需要在编写设备驱动程序的时候完成下面的工作:
(1)在初始化驱动时，使用pm_ register对设备的每个实例( instance)进行注册;在清除驱动时使用pm_unregister来取消设备的注册。
(2)在对硬件进行操作之前调用pm_access (这样会保证设备已被唤醒并且处于ready状态) 。
(3)编写自己的pm _callback函数。开发人员应该在设备或系统进入suspend状态时保留设备和系统的上下文到安全的地方，并在设备或系统re -sume时恢复其上下文，使之能够继续运行，编写pm_callback函数是驱动实现设备电源管理的重点。
(4)当设备不在被使用的时候调用pm_dev_idle函数，这个操作是可选的，可以增强设备idle状态的监测能力。
电源管理设备
将设备加入到电源管理子系统后，该设备就已经有了处理电源管理请求的能力，但是系统的电源管理行为并不会主动发生。因此还需要一个电源管理设备来接受用户请求，产生电源管理行为。这里所指的设备并不是一个真实的硬件设备，而是一个在Linux系统空间里接受用户控制的虚拟设备，它可以是一个简单的字符型设备。有了这个设备，就可以方便的实现来自于用户空间的电源管理请求和方案。Linux电源管理行为过程如图1所示。
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图1 Linux电源管理行为过程
Linux的电源管理机制在iPAQ上的应用
iPAQ是康柏公司(现在已和惠普公司合并)推出的基于StrongARM CPU 的高性能掌上电脑，不仅提供了卓越的个人信息管理工具，还集成了较为强大的多媒体功能和其他娱乐功能。Linux 2.4的内核已经被成功的移植到上面，基于Linux系统众多的应用软件也已经或正在被移植。
iPAQ硬件耗电量分析
要实现对iPAQ 耗电量的有效调节，就必须清楚各个硬件耗电量，从而确定出需要管理和调节的对象。iPAQ上的各种硬件的耗电量比例如图2所示。
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图2 iPAQ上的各种硬件的耗电量比例
可见， Frontlight、LCD、SDRAM、Audio、CPU等是主要的耗电设备，应该尽可能的减少这些设备的工作时间和强度，以减少耗电量，其关键步骤如下:首先，开启SDRAM的自动节能模式。iPAQ所使用的SA -1110支持SDRAM的自动节能模式;在这种模式中，当内存不被使用时， CPU 将关闭输入到内存的时钟信号，内存停止工作;这样将减少大约190mW的功率。
接着，调节显示驱动。可以选择( 1)在必要的时候关闭背光; ( 2)降低LCD的刷新率。LCD在正常情况下刷新率是60Hz，通过调节LCD 定时器可以调节LCD的刷新率使其低于60Hz。降低LCD刷新率后，可以减少SDRAM，总线的使用和减少功耗; (3)在不使用屏幕的时候关闭LCD控制器。
随后，降低时钟频率。SA - 1110的时钟频率可以在57. 3MHz到214. 8MHz之间动态调节。降低CPU时钟频率可以减少CPU本身的功耗，同时也能减少时钟由CPU提供的其他硬件的功耗。例如: SA- 1110工作在最低频率时可比工作在最高频率时减少100mW到200mW的功耗。
最后，关闭音频芯片。在不使用声音的时候，尽量关闭音频芯片，并保持CPU 到音频芯片的低输入。
通过Linux电源管理机制及上层应用实现对iPAQ电源管理和耗电量调节
确定了要调控的对象和方法后，需要通过L inux的电源管理机制和上层应用软件来实现对这些硬件设备的控制。这包括编写CPU电源管理代码、外设驱动程序及电源管理代码、电源管理设备实现代码和用户空间控制应用代码。
(1)实现SA - 1110进入Sleep电源模式的代码
SA -1110有Normal， Idle， Sleep 等几种电源模式，其中在Sleep模式下， SA -1110具有最小的电力消耗。由于SA -1110 进入Sleep 模式后，到外设和SDRAM的时钟将停止，多数的寄存器信息将丢失。因此需要事先将重要的寄存器值保存到内存中，并将SDRAM设置为自刷新模式，以保持SDRAM中的数据。当SA -1110 收到硬件中断等唤醒源退出Sleep模式后不会接着执行先前未执行的指令，而是回到初始状态去执行启动代码。因此为了让CPU在唤醒后能够持续的工作，需要将返回代码的地址保存到PowerManager Scratch Pad Register ( PSPR)寄存器中，使得启动代码能让CPU重新跳到返回代码的地址处，执行返回代码从而回到睡眠前的工作。
SA - 1110进入Sleep模式的代码片断如下:
extern void cpu_sa1110_resume ( void) ; /3 SA - 1110返回函数3 /
extern int cpu_sa1110_do_suspend ( void) ; /3 SA - 1110睡眠函数3 /
int sa1110_suspend ( void)
{
. . .
cli ( ) ; /3 关闭中断3 /
sys_ctx. osmr0 = OSMR0; /3 保存重要的寄存器3 /
. . .
sys_ctx. p sdr = PSDR;
. . .
PSPR = virt_to_phys ( cpu_sa1100_resume) ; /3 设置返回函数地址3 /
cpu_sa1110_do_suspend ( ) ; /3 进入睡眠3 //3 退出睡眠3 /
GPDR = sys_ctx. gpdr; /3 恢复寄存器3 /
GRER = sys_ctx. grer;
GFER = sys_ctx. gfer;
GAFR = sys_ctx. gafr;
. . .
sti ( ) ; /3 启动中断3 /
return 0;
}
(2)实现各个外设的电源管理代码
利用Linux内核提供电源管理子系统，可以将iPAQ中的每个需要实现电源管理的外部设备纳入统一的管理。这需要在各个设备的驱动程序中使用电源管理子系统的接口函数(如2. 1所描述)和实际的硬件操作代码，这里将以显示设备为例:
/3 SA - 1110 frame buffer电源管理请求处理函数3 /
static int sa1110fb_pm_callback ( struct pm_dev 3 pm_dev， pm
_request_t req， void 3 data)
{
struct sa1110fb_info 3 fbi = pm_dev - > data;
if ( req = = PM_SUSPEND | | req = = PM_RESUME) {
int state = ( int) data;
if ( state = = 0) {
set_ctrlr_ state ( fbi， C_ENABLE) ; /3 进入D0 模式，开启LCD控制器3 /
} else {
set_ctrlr_state ( fbi， C_D ISABLE) ; /3 进入D1 - D3模式关闭LCD 控制器. 3 /
} }
return 0;
}
/3 SA - 1110 frame buffer驱动初始化函数3 /
int __init sa1110fb_init ( void)
{
struct sa1110fb_info 3 fbi;
int ret;
. . .
/3 在电源管理子系统中注册3 /
fbi - > pm = pm _ register ( PM _SYS_DEV， PM _SYS_VGA，
sa1110fb_pm_callback) ;
if ( fbi - > pm)
fbi - > pm - > data = fbi; /3 设置私有数据3 / . . .
return ret;
}
(3)实现电源管理设备
这个设备实际是用于接受用户空间程序的控制所用，所以只需要简单的实现“ioctl”调用就可以了。
/3 ioctl调用方法3 /
static int do_ioctl ( struct inode 3 inode， struct file 3 filp， u_int
cmd， u_long arg)
{ . . .
switch ( cmd) {
case APM_ IOC_STANDBY: {
pm_send_all ( PM_SUSPEND， ( void 3 ) 2) ; /3 外设挂起3 /
} break;
case APM_ IOC_RESUME: {
pm_send_all ( PM_RESUME， ( void 3 ) 0) ; /3 外设唤醒3 /
} break;
case APM_ IOC_SUSPEND: {
pm_send_all ( PM_SUSPEND， ( void 3 ) 2) ; /3 外设挂起3 /
sa1110_suspend ( ) ; /3 CPU进入休眠模式3 /
/3 CPU醒来，继续执行3 /
pm_send_all ( PM_RESUME， ( void 3 ) 0) ; /3 唤醒外设3 /
} break;
default:
return - EINVAL;
}
return 0;
}
最后，使用命令“mknod /dev/ apm c 254 0”，可以在文件系统中建立起该设备的访问节点。该节点名为/dev/ apm，是一个字符设备( c) ，主设备号为254，此设备号为0。
(4)编写用户空间电源管理程序
用户可以在适当的时候选择是否改变CPU的时钟频率和显示刷新率，是否关闭某些外部设备，是否使整个系统进入睡眠模式等等。这只需要使用系统调用“ioctl”对电源管理设备( /dev/ apm)发送命令就可以了。
int fd;
. . .
fd = open ( " /dev/ apm" ， O_RDONLY) ; /3 打开电源管理设备3 /
ioctl ( fd， APM_ IOC_SUSPEND，NULL) ; /3 发送电源管理命令3 /
close ( fd) ; /3 关闭电源管理设备3 /
实现iPAQ电源管理前后耗电量比较
实现电源管理以前:开启LCD， CPU 处于空闲状态，大多数其他芯片关闭，功耗为470mW。实现电源管理以后:在电源管理前的基础上开启SDRAM 的自动节能模式，功耗下降到280mW。然后降低LCD刷新率到30Hz， 功耗下降到238mW。再把CPU频率降低到57. 3MHz，功耗下降到172mW。最后关闭LCD，功耗下降到98mW。可见，通过本文方案的调节和优化， iPAQ的耗电量确实可以得到有效地改善，最大优化后的耗电量仅为优化前的五分之一，从而大大提高了iPAQ的电池使用时间。
结 论
在嵌入式设备中，电源管理是一个硬件和软件相结合的系统工程。本文介绍