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Linux電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

電子工程師 ? 來源:蝸窩科技 ? 作者:蝸窩科技 ? 2020-09-14 16:17 ? 次閱讀

1. 前言

在這個(gè)世界中,任何系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)都需要能量。如樹木依靠光能生長(zhǎng),如馬兒依靠食物奔跑,如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)依靠電能運(yùn)行。而 能量的獲取是有成本的,因此如果能在保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上,盡量節(jié)省對(duì)能量的消耗,就會(huì)大大提升該系統(tǒng)的生存競(jìng)爭(zhēng)力。這方面,大自然已經(jīng)做的很好了,如植 物的落葉,如動(dòng)物的冬眠,等等。而在計(jì)算機(jī)的世界里(這里以運(yùn)行Linux OS的嵌入式系統(tǒng)為例),稱作電源管理(Power Management)。

通俗的講,電源管理就是:“想讓馬兒跑,不想馬吃草”。不過,從能量守恒的角度,想讓馬兒跑多快、跑多久,就一定要讓它吃相應(yīng)數(shù)量的草。那么我們就退而求其次:“只在需要馬兒跑時(shí),才讓它吃草”。這就是電源管理的核心思想。那方法呢?可以這樣:

方法1:不需要馬兒跑時(shí),把它殺掉,這樣就不吃草了。需要馬兒跑時(shí),再養(yǎng)一匹。

在現(xiàn)實(shí)世界中,除了傻瓜,應(yīng)該沒人使用這種方法。因?yàn)橹匦吗B(yǎng)一匹馬需要時(shí)間----我哪里等得及,需要草----有可能比養(yǎng)一匹閑馬需要的更多。

方法2:不需要馬兒跑時(shí),讓它睡覺,不能睜眼,不能動(dòng),不能叫。

先不講馬兒是否愿意一直睡覺,這種方法只能減少馬兒吃草的數(shù)量,因?yàn)樗男呐K還在跳動(dòng)、血液還在流通,這些也消耗能量。不過還好,需要馬兒跑時(shí),應(yīng)該不需要等太久了。

方法3:不是說心臟跳動(dòng)、血液流通也消耗能量嗎?那把這些也停下來好了,能省多少是多少嘛。

確實(shí)是好方法,不多得先去問問獸醫(yī),能不能搞定。不過以現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)水平,估計(jì)實(shí)現(xiàn)不了啊。

在計(jì)算機(jī)世界中,上面的方法是再平常不過的了,而且控制的遠(yuǎn)比這些精細(xì)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)是人類設(shè)計(jì)出來的,而馬兒卻是經(jīng)上帝之手。不過通過馬兒的例子,我們可以總結(jié)出電源管理的基本行為:

a, 實(shí)時(shí)的關(guān)閉暫時(shí)不使用的部分(可稱作“工作狀態(tài)到非工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)移”)。例如手機(jī)在口袋時(shí),屏幕沒必要亮。

b, 當(dāng)需要重新使用那些已關(guān)閉部分時(shí)(可稱作“非工作狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)移”),不能有太長(zhǎng)時(shí)間的等待,且轉(zhuǎn)移過程不能消耗太多的能量。上面的方法1就是一個(gè)反面教材,但在計(jì)算機(jī)的世界里,情況會(huì)好很多。

2. Linux電源管理的組成

電 源管理(Power Management)在Linux Kernel中,是一個(gè)比較龐大的子系統(tǒng),涉及到供電(Power Supply)、充電(Charger)、時(shí)鐘(Clock)、頻率(Frequency)、電壓(Voltage)、睡眠/喚醒(Suspend /Resume)等方方面面(如下圖),蝸蝸會(huì)在Linux電源管理系列文章中,對(duì)它們一一講述。

注1:該圖片只是一個(gè)示意圖,并沒有劃分軟件層次,因此模塊之間的關(guān)系不一定是真正的關(guān)系。

在對(duì)圖片中的這些組件(也可以稱作Framework)進(jìn)行詳細(xì)描述之前,先在這里了解一下基本概念。

注 2:Framework是一個(gè)中間層的軟件,提供軟件開發(fā)的框架。其目有三:一是屏蔽具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),固定對(duì)上的接口,這樣可以方便上層軟件的開發(fā)和維 護(hù);二是盡可能抽象公共邏輯,并在Framework內(nèi)實(shí)現(xiàn),以提高重用性、減少開發(fā)量;三是向下層提供一系列的回調(diào)函數(shù)(callback function),下層軟件可能面對(duì)差別較大的現(xiàn)實(shí),但只要填充這些回調(diào)函數(shù),即可完成所有邏輯,減小了開發(fā)的難度。

Power Supply,是一個(gè)供用戶空間程序監(jiān)控系統(tǒng)的供電狀態(tài)(電池供電、USB供電、AC供電等等)的class。通俗的講,它是一個(gè)Battery&Charger驅(qū)動(dòng)的Framework

Clock Framework,Clock驅(qū)動(dòng)的Framework,用于統(tǒng)一管理系統(tǒng)的時(shí)鐘資源

Regulator Framework,Voltage/Current Regulator驅(qū)動(dòng)的Framework。該驅(qū)動(dòng)用于調(diào)節(jié)CPU等模塊的電壓和電流

Dynamic Tick/Clock Event,在傳統(tǒng)的Linux Kernel中,系統(tǒng)Tick是固定周期(如10ms)的,因此每隔一個(gè)Tick,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Timer中斷。這會(huì)喚醒處于Idle或者Sleep狀態(tài) 的CPU,而很多時(shí)候這種喚醒是沒有意義的。因此新的Kernel就提出了Dynamic Tick的概念,Tick不再是周期性的,而是根據(jù)系統(tǒng)中定時(shí)器的情況,不規(guī)律的產(chǎn)生,這樣可以減少很多無用的Timer中斷

CPU Idle,用于控制CPU Idle狀態(tài)的Framework

Generic PM,傳統(tǒng)意義上的Power Management,如Power Off、Suspend to RAM、Suspend to Disk、Hibernate等

Runtime PM and Wakelock,運(yùn)行時(shí)的Power Management,不再需要用戶程序的干涉,由Kernel統(tǒng)一調(diào)度,實(shí)時(shí)的關(guān)閉或打開設(shè)備,以便在使用性能和省電性能之間找到最佳的平衡
注 3:Runtime PM是Linux Kernel親生的運(yùn)行時(shí)電源管理機(jī)制,Wakelock是由Android提出的機(jī)制。這兩種機(jī)制的目的是一樣的,因此只需要支持一種即可。另外,由于 Wakelock機(jī)制路子太野了,飽受Linux社區(qū)的鄙視,因此我們不會(huì)對(duì)該機(jī)制進(jìn)行太多的描述。

CPU Freq/Device Freq,用于實(shí)現(xiàn)CPU以及Device頻率調(diào)整的Framework

OPP(Operating Performance Point),是指可以使SOCs或者Devices正常工作的電壓和頻率組合。內(nèi)核提供這一個(gè)Layer,是為了在眾多的電壓和頻率組合中,篩選出一些相對(duì)固定的組合,從而使事情變得更為簡(jiǎn)單一些

PM QOS,所謂的PM QOS,是指系統(tǒng)在指定的運(yùn)行狀態(tài)下(不同電壓、頻率,不同模式之間切換,等等)的工作質(zhì)量,包括latency、timeout、throughput三個(gè)參數(shù),單位分別為us、us和kb/s。通過QOS參數(shù),可以分析、改善系統(tǒng)的性能

3. Kernel中電源管理相關(guān)的Source code匯整

在蝸蝸使用的Linux 3.10.29版本的內(nèi)核中,電源管理有關(guān)的Source code分別位于:

  • kernel/power/ *
  • drivers/power/
  • drivers/base/power/*
  • drivers/cpuidle/*
  • drivers/cpufreq/*
  • drivers/devfreq/*
  • include/linux/power_supply.h
  • include/linux/cpuidle.h
  • include/linux/cpufreq.h
  • include/linux/cpu_pm.h
  • include/linux/device.h
  • include/linux/pm.h
  • include/linux/pm domain.h
  • include/linux/pm runtime.h
  • include/linux/pm wakeup.h
  • include/linux/suspend.h
  • Documentation/power/*.txt
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