基于Linux的动态电源管理设计

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。

在流视频的各帧之间实现节能，是对 DPM 的这一性质的最好写照。高质量的流视频的运行频率是 24 帧/秒，在各帧之间留了 41.66 毫秒的可用时间，用于渲染下一帧和进行其它活动。即使是在运行频率为 40-60MHz 的低功率 CPU 内核心上，41.66 毫秒也代表"很长的时间"，并为电源管理带来了充足的机会。

当一帧视频呈现给用户之后，活动按以下方式继续进行：

·CPU 请求/索取下一帧压缩视频，它来自本地存储系统或流文件缓冲器——CPU 活动量很低；

·压缩图像（经由 DMA 或共享内存）被传输至编解码器（DSP 或其它专用硬件），进行解压/渲染——CPU 活动量中等，编解码器活动量高；

·当图像准备就绪，即解压完毕时，CPU 调用视频接口驱动程序——CPU 利用率高，最终的显示器利用率高；

·在图像处理的整个过程中，显示器背光都要消耗能量。充分利用视觉暂留或针对图像本身的伽玛调节，该参数也可以降低到一个更适度的消耗级别。

　　对视频帧处理的各个阶段期间的能量需求进行总结，得图 2 所示的波形，"线上方的"面积代表潜在的节能。

时钟频率调节与电压调节的益处对比

CPU 时钟频率调节是嵌入式器件的一种常用省电方式。在给定电压下，与较低的时钟速度相比，较高的时钟速度需要更多的电量才能把逻辑电平推到饱和（克服电容）。而且，时钟频率调节比较容易实现，至少在 CPU内核内部是这样。然而，电压调节带来的益处要大得多——能耗与时钟频率成正比，而几乎是系统电压的立方！

DPM 本身并不对时钟频率和电压之间的关联做假设。理论上，两项参数均可以独立而连续地改变。

实际上，在给定时钟频率下，存在最低可行电压（最低供电电压）——更低的电压无法在要求的周期时间内把逻辑电平推到饱和，而更高的电压只会消耗更多的电。为了简化电源管理算法，DPM 等方案也不去尝试连续改变时钟和电压，而是由设计人员在时钟/电压连续统计上挑选出一系列合理的运行点，并且 DPM 逐点驱动 CPU 和其它电源得到管理的系统器件。

　　开发和部署电源管理面临的挑战

面向嵌入式 Linux 的 DPM 是一种正在发展的技术。由于全球开放源代码领域的开发人员所做的贡献，它的核心技术正在进步，但实际应用仍然必须清除一系列"路障"。

在所有器件子系统中协调 DPM

CPU 时钟和电压引来了一套非常灵活的电源管理参数，这些参数针对设备中的主要耗电器件之一。其它器件（背光、射频等等）也带来了电源管理机会，但有可能导致非常不同的运行点类型和数量。不过，系统中的各种节点完全独立的情况非常少。CPU 连接到总线、桥路、内存，并直接连接到其它外设，而改变一种器件的时钟和电压可能会限制它与邻近器件的电连接和逻辑连接。解决此类不兼容问题的选择方案包括：

· 把 CPU 内核和外设编组成块，这些块共享运行点特性

· 选择互为倍数的运行点时钟速率

· 运用电压变换器/缓冲器或开路集电极电路来缩小电压差异

克服电压及频率调节等待时间

为了支持 DPM 等积极的节能范例，系统硬件的响应速度必须能够至少象 DPM 策略指导的状态变化的发生速度一样快。也就是说，如果 DPM 系统需要在给定时间内从一个运行点过渡到另一个运行点，电源电路的时钟设定必须能够与这些变化一同发生。

换句话说，改变电压所花的时间必须少于运行点之间的过渡时间 ( T芕 < T芆P )。为了实现上述的帧间方案，T芕 必须在 5 毫秒范围内 (200 Hz)。一些直流到直流电源内部运行速度约为 200Hz，在有负载情况下只能交付大约 200 毫秒 (5Hz) 内的电压变化，结果降低了 基于 DPM 的系统的可用解析度和效用。

　　实时影响

直到最近，CPU 电压和频率调节仍给实时性能带来了严峻挑战。两种参数中任何一种发生变化都造成了不稳定，"重新锁定"锁相环路和其它动态时钟机制需要时间，这些都造成了很长的等待时间（有时是许多毫秒），在此期间 CPU 既不能执行计算操作，又不能响应外部事件（中断）。

TI OMAP 和 Intel XScale 等先进嵌入式处理器能够在等待时间以几微秒计的情况下调节频率，并在等待时间以数十微秒计的情况下响应变化的电压，不会中断系统运行，从而实现了更积极、更精细的策略。

对实时性能的一个更普遍的挑战是深度睡眠方式期间对中断的响应。大多数片上外设可以设定为在收到中断时"唤醒"系统，不过开发人员必须仔细规定各项策略，来启用（选择性的）基于器件的唤醒，并考虑整个系统的等待时间和存储类别，从而确保及时执行中断处理程序和用户空间对事件的响应（优先等待时间）。