嵌入式Linux的动态电源管理技术

如何有效地管理嵌入式系统，尤其是移动终端的电源功耗，是一个很有价值的课题。动态电源管理DPM(Dynamic Power， Management)技术提供一种操作系统级别的电源管理能力，包含CPU工作频率和电压，外部总线时钟频率，外部设备时钟／电源等方面的动态调节、管理功能。通过用户层制定策略与内核提供管理功能交互，实时调整电源参数而同时满足系统实时应用的需求，允许电源管理参数在短时间的空闲或任务运行在低电源需求时，可以被频繁地、低延迟地调整，从而实现更精细、更智能的电源管理。

1 动态电源管理原理

CMOS电路的总功耗是活动功耗与静态功耗之和。当电路工作或逻辑状态转换时会产生活动功耗，未发生转换时晶体管漏电流会造成静态功耗：



式中C为电容，fc为开关频率，Vdd为电源电压，IQ为漏电流。C·Vdd·fc为活动功耗；VddIQ为静态功耗。在操作系统级的电源管理设计实现中，重点是活动功耗。从中可以得出几种管理活动功耗的方法：

①电压／时钟调节。通过降低电压和时钟来减少活动功耗和静态功耗。

②时钟选通。停止电路时钟，即设fc为O，让Pactive为0。将时钟从不用的电路模块断开，减少活动功耗。许多CPU都有“闲置”或“停止”指令，一些处理器还可通过门控关闭非CPU时钟模块，如高速缓存、DMA外设等。

③电源供应选通。断开电路中不使用的模块电源供应。这种方法需要考虑重新恢复该模块的代价。

断开不使用的模块的时钟和电源供应可以减少电源消耗，但要能够正确预测硬件模块的空闲时期。因为重新使能硬件模块时钟和电源会造成一定延迟，不正确的预测将导致性能下降。

从式(1)可以看出：降低电压对功耗的贡献是2次方的；降低时钟也可降低功耗，但它同时也降低性能，延长同一任务的执行时间。设2．0 V高压下的能量消耗为E高=P高·T，则1．0 V低压下能量消耗为E低=P低·2T(实践中频率近似线性依赖电压)，再根据式(1)容易得到P高=8P低。综合上式可以得出：E高=4E低，所以，选择满足性能所需的最低时钟频率，在时钟频率和各种系统部件运行电压要求范围内，设定最低的电源电压，将会大量减少系统功耗。上例中完成任务所需的能量可以节约75％。

2 硬件平台对动态电源管理的支持

通过调节电压、频率来减少系统活动功耗需要硬件支持。SoC系统一般有多个执行单元，如PM(电源管理)模块、OSC(片上晶振)模块、PLL(锁相环)模块、CPU核以及CPU核中的数据缓存和指令缓存，其他模块统称为外围模块(例如1，CD控制器、UART、SDRAM控制器等)。CPU高频时钟主要由PLL提供，同时PLL也为外围模块和SoC总线提供其他频率时钟。一般SoC系统都有一些分频器和乘法器可以控制这些时钟。PM模块主要是管理系统的电源供应状态。一般有自己的低频、高准确度晶，振，用以维持一个RTC时钟、RTC定时器和中断控制单元。其中中断控制单元使RTC定时器和外部设备能够唤醒挂起的SoC系统。下面以一个广泛用于手持设备的TI0MAPl610处理器为例。

①时钟模块。OMAPl610提供一个数字相控锁环(DPLL)，将外频或晶振输入转化为高频，供给OMAP 3．2核以及其他片上设备。操作DPLL控制寄存器DPLLl_CTL_REG就可以设置DPLL输出时钟，辅以设置时钟复用寄存器(MUX)和时钟控制寄存器ARM_CKCTL，就能控制MPU和DSP的运行频率，MPU、DSP外设时钟，以及LCD刷新时钟，TC_CK时钟(Trafflc Control Clock)等。

②电源管理模块。OMAPl610集成一个超低功耗控制模块(ULPD)，用以控制OMAP3．2时钟和控制OMAPl610进出多种电源管理模式。操作ULPD控制寄存器ULPD_POWER_CTRL，可以设置处理器电压、管理运行模式。

3 嵌入式Linux动态电源管理软件实现

嵌入式Linux已被广泛应用在电源功耗敏感的嵌入式设备上，特别是移动手持设备；因此，设计高效、精细的电源管理技术是嵌入式Linux开发成功的关键技术之一。

3.1动态电源管理实现原理

系统运行在常见的几种不同状态，有不同电源级别要求，其中蕴涵着丰富的节能机会。状态转化如图1所示。



①系统运行在任务、任务一、任务+中的任务状态之一，可以响应中断进入中断处理，可以进入空闲或睡眠状态。不同的任务要求不同的电源级别，例如播放MP3可以降低处理器的频率，而运行在线互动游戏时则要求处理器全速运行，所以DPM需要在不同任务中提供电源管理服务。

②系统进入空闲，这时可以被中断唤醒，处理中断：DPM提供受管理的空闲模式，可以更智能地节省电源。

③系统在中断处理完可以进入空闲状态，或者从中断中回到任务态。

④系统在任务状态下可进入睡眠模式。系统可挂起到RAM或者其他存储器中，关闭外设，实现最大限度地省电。通过特定事件(例如定义UART中断)要求系统退出睡眠模式。

综上所述，可以把动态电源管理分为平台挂起／恢复、设备电源管理以及平台动态管理等三类。平台挂起／恢复目标在于管理较大的、非常见的重大电源状态改变，用于减少产品设备在长时间的空闲之后，减少电源消耗。设备电源管理用于关断／恢复平台中的设备(平台挂起／恢复以及动态管理中均要用到)；而平台动态管理目标在于频繁发生、更高粒度的电源状态改变范围之内的管理。系统运行的任务可以细分为普通任务和功率受监控的任务。前者电源状态是DPM_NO_STATE，不作电源管理；后者对功率敏感，在被调度时(参见图1)可以通过DPM来设置其电源管理状态，要求运行在不同的电源级别。本文重点描述平台动态电源管理和设备电源管理两类，并将设备电源管理视为动态电源管理的组成部分。