嵌入式Linux的低功耗策略研究

摘 要：功耗是嵌入式设备的一个十分重要的性能指标。在硬件设计和选型之后，功耗水平在极大程度上取决于软件的设计。鉴于Lioux在嵌入式设备中的应用日益广泛，提出在嵌入式Linux下软件编写的几种策略。通过这些软件编写方式，能有效降低最终产品的功耗水平。
关键词：嵌入式Linux功耗策略

引 言
由于Linux系统具备嵌入式操作系统需要的很多特色，如适应于多种CPU和多种硬件平台、性能稳定、可裁剪性很好、源码开放、研发和使用简单等。现在，基于Linux应用的嵌入式设备日益增多，Linux正在嵌入式领域发挥着越来越重要的作用。

对于嵌入式设备尤其是移动设备来说，功耗是系统的重要指标，系统设计的重要目标之一就是要尽可能地降低功耗。现在，对功耗的研究主要集中在硬件解决方案上，而软件研究方面很少。实践证实：在硬件设计和选型确定后，功耗的高低和软件设计有很大的关联性。软件设计和编程质量的好坏，极大地影响着最终产品的功耗水平。据此，为降低功耗，提出在嵌入式Linux下软件编程的几种策略。

1 问题分析
因为最终耗能的是硬件，所以在考虑采用软件方法降低功耗的时候，要充分考虑硬件的功能和性能，即在保障系统实现的基础上怎样组织硬件运作而使功耗降低。全速执行、待机和睡眠等行为都是利用CPU的固有能力，透过降低工作电压或频率来节省功耗。此外，在大多数用户察觉不到的情况下，实际的电源管理能够根据负载状况逐渐改变系统的状态，有时这种情况在l s之内能够产生数百次。

另外，在编写程式时可能会碰到这样的情况，如记录状态寄存器内容，并等待设定标记出现；检查串口的FIFO状态标记，看是否收到数据；监测一个双端口存储器，以确定系统中是否有另外CPU写入了一个变量，以便控制共享资源。从表面上看，这样的代码没有什么问题，但在每个时钟周期里不断记录寄存器状态将无法有效延长设备的电池寿命。

基于这些问题，下面提出几种策略，以有效降低最终产品的功耗水平。

2 利用Linux内核的电源管理
电源管理策略的基础是调整处理器内核的工作电压和频率。但是，现代的嵌入式CPU具备很高的电源效率，以至于CPU并不总是最主要的耗能组件。其他高耗能的组件包括高性能内存、显示屏和射频接口等，因此，假如电源管理系统只能调节CPU内核的电压和频率，那么他的用途将有限。一个真正有效的电源管理方案应该能够采用和CPU内核执行相协调或相单独的方式，支持对一系列电压和频率的快速调节。

Linux支持两种电源管理标准：APM(AdvancedPower Managememt)和ACPI(Advanced Configtlrationand P0wer Interface)。APM是传统的高级电源管理方案，现在仍然使用在许多基于Linus便携式设备中；而ACPI则提供了更为灵活的电脑和设备管理接口。这两个标准不能同时运行。缺省情况下，Linux运行ACPI。APM能够使机器处于Suspend(悬挂)或Standby(待机)状态，连同检查电池容量；而ACPI还能够使外设(如显示器、PCI)单独断电，在节省电能方面有更多的控制。为了让电源管理功能生效，需要在Linux内核打开他，并且在Linux里加载必需的应用软件。

电源管理活动需要对操作系统内核和设备驱动程式进行特别的干预。在嵌入式Linux中，虽然低层电源管理驻留在操作系统内核中，但电源管理策略和机制来源于中介软件和用户应用程式代码，如图l所示。

Linux内核中电源管理机制负责维持整个系统的电源状态。他能够看成是为驱动程式、中介软件和应用程式提供服务的元素。

通过在驱动程式中实现电源管理接口，能够让驱动程式密切监控系统状态。他们在外部事件的驱动下，透过设定不同的状态反映设备的工作情况。为了实现设备电源管理接口，需要实现以下操作：
①使用pm_register对设备的每个实例(instance)进行注册；
②在对硬件进行操作之前调用pm_access(这样可确保设备已被唤醒，并处于ready状态)；
③用户自己的pnl_callback函数在系统进入suspend状态，或从suspend状态恢复的时候会被调用；
④当设备不使用时调用pm_dev_idle函数(这个操作是可选的，以增强设备idle状态的监测能力)；
⑤当被unIoad的时候，使用pm_unreggister取消设备的注册。

中介程式允许用户预先定义某些策略，然后跟踪电源状态，执行特定的操作。

在应用程式中，利用中介程式提供的API，设立其基本的约束条件，强迫电源管理机制产生和其执行需求相匹配的变化。Linix电源管理的实现机制包括以下API，例如dpm_set_os()(内核)、assert_constraint()、remove_constraint()和set_operatInK—state()(内核和驱动程式)、set_policy()和set_task_state()(经系统的用户级调用)连同／proc接口。

3 在空闲模式下等待事件
很多嵌入式CPU都具备能降低功耗的电源工作模式，最常用的是空闲模式。此时CPU内核指令执行部分关闭，而任何外设和中断信号仍处于工作状态。由于空闲模式比CPU执行指令时的功耗要小得多，因而能够在任何时候，只要Linux检查到任何线程都处于阻塞状态(如等待中断、事件或定时时间)，他都能够将CPU置于空闲模式。任何中断(如触摸屏事件、按下按键事件等)都能把CPU从空闲模式中唤醒，然后继续执行后面的代码。假如事件不能直接连接到外部中断，也能够用一个系统定时器定期唤醒CPU。例如在等待一个事件并且知道只要事件发生后在10 ms内能检测到，那么能够启动lO ms定时器，并把CPU置于空闲模式。每次处理定时中断时都要检查事件状态，假如状态没有变化，就立即回到空闲模式。

4 减少事件
通常CPU的定时中断间隔为1 ms，Linux会频繁使CPU置于空闲模式，并一直维持到被中断唤醒。在这种情况下，最有可能唤醒CPU中断的是定时器中断本身。即使任何其他线程被阻塞，在其他中断、内部事件及长时间延迟之前，定时器中断也会以每秒l 00()次的频率把CPU从空闲模式中唤醒，以运行调度程式。就算调度程式确定任何线路都被阻塞，并很快将CPU回复到空闲模式，这样频繁操作也会浪费大量电源。因此，应尽可能长时间地将CPU置于空闲模式，而减少事件是解决这个问题的有效途径。通过分析代码和系统需要，以决定是否能改变处理中断的方式实现。例如，能够在进入空闲模式前关闭时隙中断信号，只有再次出现中断信号时才被唤醒。但是，这种做法通常不太合适。尽管多数阻塞的线程能够直接或间接等待外部中断，有些还依赖于定时中断，如一个驱动器会在等待外设时睡眠500 ms，这时空闲模式下假如完全关闭系统定时器，可能意味着线路不能按时恢复工作。

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