嵌入式系統(tǒng)電源管理架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

李宏升

（黃淮學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心 河南 463000）

0 引言

越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備采用電池供電，如手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)、掌上儀器等。隨著這些設(shè)備性能的不斷提高以及功能的不斷擴(kuò)展，對(duì)電池的要求也越來(lái)越高；對(duì)能耗越來(lái)越敏感。電源管理技術(shù)正成為這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，正由傳統(tǒng)的基于電源管理器件和外設(shè)控制為主的靜態(tài)控制方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄悄茈娫垂芾砉δ艿那度胧轿⑻幚砥髋c以操作系統(tǒng)軟件為核心的智能管理動(dòng)靜態(tài)結(jié)合的綜合控制模式。

為了應(yīng)對(duì)電源管理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，各芯片廠商相繼推出了越來(lái)越高效的電源管理芯片和功能更加強(qiáng)大、管理更精細(xì)的微處理器。以此為基礎(chǔ)，怎樣設(shè)計(jì)高效、智能的系統(tǒng)軟件對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行能源管理，已成為嵌入式系統(tǒng)行業(yè)又一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1 嵌入式微處理器對(duì)電源管理的支持

從8位單片機(jī)到32位高性能處理器，都在一定程度上支持電源管理功能 例如處理器支持多種電源狀態(tài)，如圖1所示 系統(tǒng)電源狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

圖1 嵌入式系統(tǒng)電源狀態(tài)轉(zhuǎn)化示意圖

系統(tǒng)在運(yùn)行態(tài)時(shí)，設(shè)備全部正常工作；在空閑態(tài)時(shí)，處理器按照特定的模式，進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能；在掛起狀態(tài)下，處理器掛起，主存儲(chǔ)器運(yùn)行在節(jié)能的自刷新模式，只有功耗管理電路、喚醒電路繼續(xù)工作?，F(xiàn)有的單片機(jī)、ARM等32位RISC處理器一般都支持以上模式，下面分別加以介紹。

1.1 單片機(jī)的電源管理支持

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)單元一般采用低廉的8/16位單片機(jī)，其電池壽命至關(guān)重要。節(jié)點(diǎn)工作時(shí)按功率消耗由小到大有睡眠（sleep）、空閑（idle）、接收（receive）及發(fā)送（transmit）等四種模式。大多時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)都處于睡眠與空閑模式，只有少量能耗。

1.2 ARM的電源管理技術(shù)

ARM以其優(yōu)秀的低功耗技術(shù)在消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ARM實(shí)現(xiàn)了不同級(jí)別的低功耗管理技術(shù)，如表1所示：

表1 ARM不同級(jí)別的低功耗管理技術(shù)

高端ARM處理器還支持功能更強(qiáng)大的電源管理功能，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)相結(jié)合，極大地降低功耗，提高能量效率動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載預(yù)測(cè)，在一個(gè)開(kāi)環(huán)電壓控制系統(tǒng)中用多組能耗級(jí)別的頻率、電壓對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)多級(jí)能耗控制功能。自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）用一個(gè)閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它無(wú)需配對(duì)的頻率、電壓，能提供更優(yōu)的節(jié)能效果。

ARM與國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）開(kāi)發(fā)出了先進(jìn)的能量管理解決方案，智能能量管理器（IEM）預(yù)測(cè)軟件決定了處理器可以運(yùn)行的最低性能級(jí)別，同時(shí)，通過(guò)智能能量控制器（IEC）的幫助、通過(guò)自適應(yīng)功率控制器（APC）與外部能量管理單元（EMU）一起工作，使處理器運(yùn)行在能保證應(yīng)用軟件正確運(yùn)行的最低電壓和頻率下。

2 嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)電源管理的實(shí)現(xiàn)與比較

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的小型操作系統(tǒng)、源于斯坦福大學(xué)的TinyOS是其中典型代表；Windows CE在嵌入式移動(dòng)終端設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，其能耗管理實(shí)現(xiàn)與Windows CE內(nèi)核架構(gòu)緊密相關(guān)；Linux以其開(kāi)放性和可定制等特點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到極大的發(fā)展。本文針對(duì)上述三種典型嵌入式操作系統(tǒng)，對(duì)其電源管理實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論與分析。

典型嵌入式系統(tǒng)能耗組成

典型嵌入式系統(tǒng)，例如移動(dòng)終端，其能耗主要部件包括嵌入式微處理器（CPU）、內(nèi)存、LCD及背光，電源轉(zhuǎn)換部件，其他部件還可能包括基帶處理器、DSP、外設(shè)控制器等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，CPU占20%～25%，LCD以及背光占用了20%，內(nèi)存占15%，電源轉(zhuǎn)換占 5%～10%，其他的組成占用剩余的 30%～40%典型嵌入式系統(tǒng)的能耗組成如圖2所示：

圖2 典型嵌入式系統(tǒng)的能耗組成

在這些元件中，有些元件性能指標(biāo)和能耗固定；有些元件可在不同時(shí)間工作，并有多種可控的耗能狀態(tài)，后者的有效使用成為系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵所在。

TinyOS：TinyOS操作系統(tǒng)是無(wú)線傳感網(wǎng)專用操作系統(tǒng)的典型代表。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是典型的嵌入式系統(tǒng)，主要功耗器件有處理器、內(nèi)存、帶A/D的傳感器和無(wú)線收發(fā)單元等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了降低系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，決定了電源管理是傳感網(wǎng)專用操作系統(tǒng)重要組成。對(duì)電源管理的支持優(yōu)劣，決定了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生存周期長(zhǎng)短，它具有基于組件的特性，采用相互關(guān)聯(lián)的模塊進(jìn)行能量管理。

我訪問(wèn)的國(guó)家已經(jīng)超過(guò)了35個(gè)，但在過(guò)去7年里，我把大部分時(shí)間都花在了探索越南少數(shù)民族文化上。我仍然會(huì)每年去一次印度和古巴。最近，我去婆羅洲拜訪了巴瑤族人，在那里待了一個(gè)星期。因?yàn)闊o(wú)法與當(dāng)?shù)厝私涣鳎腋械胶芫趩省Ｓ慰蛡円步?jīng)常在這里潛水，可我甚至很難找一艘船接近巴瑤族人，但我喜歡這個(gè)地方，我還會(huì)再去的。

（1）TinyOS的每個(gè)設(shè)備都可以通過(guò)StdControl.stop命令被停止。

（2）負(fù)責(zé)管理外圍硬件設(shè)備的組件將切換該設(shè)備到低功耗狀態(tài)。

（3）TinyOS的HPLPowerManagement構(gòu)件通過(guò)檢查處理器的I/O引腳和控制寄存器狀態(tài)，識(shí)別當(dāng)前硬件的狀態(tài)，將處理器轉(zhuǎn)人相應(yīng)的低功耗模式。

（4）調(diào)度器會(huì)在就緒任務(wù)隊(duì)列為空時(shí)，自動(dòng)將處理器置于低功耗模式但是保留外圍設(shè)備的運(yùn)行，以至于他們中的任何一個(gè)可以喚醒系統(tǒng)。

（5）系統(tǒng)的定時(shí)器服務(wù)可以工作在大多數(shù)處理器的極低功耗的省電模式下。

Windows CE：Windows CE從 4.0版本引入電源管理器（Power Manager）來(lái)提供管理電源框架。電源管理器負(fù)責(zé)管理設(shè)備電源，提高操作系統(tǒng)整體能耗效率。管理器還嚴(yán)格區(qū)分系統(tǒng)的電源狀態(tài)與設(shè)備的電源狀態(tài)，讓一些智能設(shè)備可管理自己的電源狀態(tài)。

?電源管理器結(jié)構(gòu)：Windows CE電源管理器PM.DLL直接與設(shè)備管理器Device.exe鏈接，并支持三個(gè)接口：驅(qū)動(dòng)程序接口、應(yīng)用程序接口、提醒接口。

電源管理器直接或間接地與應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序交互電源管理器與驅(qū)動(dòng)程序主要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口進(jìn)行交互，與應(yīng)用程序通過(guò)API和提醒接口進(jìn)行交互，如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)電源狀態(tài)

Windows CE支持以下幾種電源狀態(tài)：①ON狀態(tài)，用戶在主動(dòng)使用設(shè)備；②UserIdle狀態(tài)，用戶與設(shè)備停止交互，但仍有可能使用設(shè)備；③SystemIdle狀態(tài)，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的UserIdle后進(jìn)入此狀態(tài)，但是驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)仍然活動(dòng)；④Suspend狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)進(jìn)程不再與系統(tǒng)交互時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)；⑤ColdReboot和Reboot狀態(tài)，冷啟動(dòng)后系統(tǒng)電源狀態(tài)。

設(shè)備電源管理

Windows CE設(shè)備電源狀態(tài)管理和系統(tǒng)相分離，驅(qū)動(dòng)程序需要實(shí)現(xiàn)：①響應(yīng)電源管理器的請(qǐng)求，報(bào)告它的電源能力；②處理電源管理器發(fā)送的電源請(qǐng)求；③啟動(dòng)后給設(shè)備加電；④關(guān)閉時(shí)給設(shè)備停止供電；⑤如果它可以喚醒系統(tǒng)，則為設(shè)備啟用喚醒功能，設(shè)備還可以通過(guò)調(diào)用RegisterPower Relationship（）函數(shù)告訴電源管理器它為獨(dú)立的子設(shè)備驅(qū)動(dòng)處理電源請(qǐng)求例如總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)或某些設(shè)備驅(qū)動(dòng)代理。

嵌入式Linux：2.6內(nèi)核提供了一個(gè)電源管理框架，在其基礎(chǔ)之上容易實(shí)現(xiàn)各種電源管理規(guī)范，例如ACPI和APM規(guī)范 2.6內(nèi)核中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型（Linux Driver Model，LDM）是內(nèi)核對(duì)電源管理基礎(chǔ)支持，Kobject基本結(jié)構(gòu)嵌入到描述設(shè)備模型的組件的bus、devices、drivers結(jié)構(gòu)中，這些容器就是通過(guò)kobject連接起來(lái)形成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)對(duì)象的屬性（attribute）以文件形式輸出到kobject對(duì)應(yīng)的sysfs目錄下，通過(guò)這種文件系統(tǒng)接口，可以對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效的電源管理。

3 嵌入式系統(tǒng)電源管理的分類(lèi)

就嵌入式系統(tǒng)而言，電源管理可以分為靜態(tài)電源管理，動(dòng)態(tài)電源管理，設(shè)備電源管理等三個(gè)方面。

3.1 靜態(tài)電源管理

Linux內(nèi)核支持ON Standby Suspend 和Hibernate四種電源狀態(tài)Standby指“帶電掛起”，通過(guò)將CPU置于halt狀態(tài)，將設(shè)備置于D1狀態(tài)來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的（ACPI規(guī)范中按能耗從高到低分D0～D3）節(jié)能效果不明顯，但是響應(yīng)延遲最小Suspend就是掛起到RAM在該狀態(tài)下，所有設(shè)備被置于D3狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)，除主存處于節(jié)電的自刷新模式（self-refresh）外，全部關(guān)閉電源。響應(yīng)延遲比Standby大Hibernate是通過(guò)將系統(tǒng)狀態(tài)保存到非易揮發(fā)性存儲(chǔ)中（通常是磁盤(pán)），關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的電源延遲時(shí)間最長(zhǎng)，但比一次完整啟動(dòng)來(lái)得短通常情況下嵌入式設(shè)備都沒(méi)有支持這種方式。

3.2 動(dòng)態(tài)電源管理

如圖4所示，系統(tǒng)無(wú)任務(wù)時(shí)進(jìn)入空閑，可被中斷喚醒，處理完后重新進(jìn)入空閑或者回到任務(wù)態(tài)，如果系統(tǒng)被掛起到RAM中，進(jìn)入深度睡眠可以關(guān)閉除了中斷控制器和喚醒源之外的所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)最大限度地省電，根據(jù)運(yùn)行時(shí)不同的任務(wù)負(fù)載，系統(tǒng)應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的不同電源級(jí)別。如圖示中的任務(wù)、任務(wù)、任務(wù)+等代表電源需求的狀態(tài)在完成任務(wù)的同時(shí)，進(jìn)行最大化的節(jié)能。

圖4 動(dòng)態(tài)電源管理

3.3 設(shè)備電源管理

設(shè)備電源管理模塊通過(guò)對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行約束，管理設(shè)備時(shí)鐘和電源，設(shè)置各種總線和設(shè)備時(shí)鐘電源參數(shù)，提供掛起和恢復(fù)控制。通過(guò)這些接口參數(shù)可以操縱設(shè)備的電源狀態(tài)。在多種情況下，可利用該接口來(lái)掛斷設(shè)備，DPM中管理設(shè)備電源狀態(tài)時(shí)還提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)約束檢查（頻率相關(guān)），檢查該狀態(tài)是否滿足設(shè)備正常運(yùn)行。如果不滿足，驅(qū)動(dòng)約束還用于限制DPM操作方式。當(dāng)沒(méi)有設(shè)備被使用時(shí)，約束才允許DPM將系統(tǒng)轉(zhuǎn)到低電源空閑狀態(tài)。

4 動(dòng)態(tài)電源管理設(shè)計(jì)

在Linux架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理，需要（1）用戶層的管理策略；（2）內(nèi)核模塊需要為應(yīng)用層提供的接口；（3）硬件無(wú)關(guān)的通用電源管理邏輯控制框架；（4）管理特定硬件的平臺(tái)相關(guān)電源控制層。

4.1 用戶層策略

通過(guò)sysfs文件系統(tǒng)接口（或proc文件系統(tǒng)接口）以及系統(tǒng)調(diào)用接口（APIs）來(lái)進(jìn)行電源管理 內(nèi)核硬件無(wú)關(guān)層提供電源管理邏輯控制，針對(duì)任務(wù)負(fù)載情況選擇反映當(dāng)前任務(wù)電源狀態(tài)的電源操作點(diǎn)（相關(guān)可控的硬件參數(shù)）內(nèi)核硬件相關(guān)層主要對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的各種總線和設(shè)備時(shí)鐘電源參數(shù)管理，并管理多種設(shè)備的參數(shù)約束。

4.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源管理

在某些設(shè)備閑置時(shí)可以被主動(dòng)關(guān)閉，從而節(jié)電 在2.6內(nèi)核中需要實(shí)現(xiàn)總線以及設(shè)備的電源管理支持，在驅(qū)動(dòng)中需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的suspend/resume函數(shù)。關(guān)閉一個(gè)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)的suspend方法需要兩個(gè)不同的調(diào)用，一個(gè)用來(lái)保存狀，另外一個(gè)用來(lái)關(guān)閉設(shè)備電源相反，resume方法需要一個(gè)調(diào)用用來(lái)給設(shè)備供電，另一個(gè)調(diào)用來(lái)恢復(fù)設(shè)備的狀態(tài) 在關(guān)閉一個(gè)總線設(shè)備時(shí)必須關(guān)閉所有的下一級(jí)子設(shè)備相反地，重新使能總線設(shè)備時(shí)，必須先使能根設(shè)備，然后再使能子設(shè)備。

4.3 用戶層電源管理策略

嵌入式系統(tǒng)如何做到有效的平臺(tái)級(jí)能耗管理需要在內(nèi)核提供的機(jī)制上實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能化的管理軟件，監(jiān)控系統(tǒng)電源狀態(tài)，處理相應(yīng)電源事件，執(zhí)行針對(duì)特定應(yīng)用制定的管理策略 現(xiàn)有的Linux ACPI和APM的后臺(tái)駐留進(jìn)程，可以供嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參考 商業(yè)的嵌入式linux 公司MontaVista 在其Moblinux 4.0以后的版本也提供一個(gè)用戶態(tài)的電源管理策略和界面。

5 電源管理技術(shù)的發(fā)展與展望

嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，主要可以分為核心層、接口層、應(yīng)用策略管理層（圖）。核心層需要提供一個(gè)體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的電源管理框架，感知系統(tǒng)負(fù)載，進(jìn)行系統(tǒng)電源狀態(tài)管理。核心層還需要一個(gè)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)層，提供硬件相關(guān)的電源狀態(tài)管理，例如進(jìn)行電壓/頻率調(diào)節(jié)及相應(yīng)的約束管理。核心層還需要提供一個(gè)用戶編程接口，用戶層通過(guò)編程來(lái)利用系統(tǒng)提供的電源管理機(jī)制，并且根據(jù)不同的應(yīng)用需求編制智能化的管理策略。

在電源管理功能通過(guò)操作系統(tǒng)檢查任務(wù)負(fù)載情況，如果沒(méi)有需要運(yùn)行的任務(wù)，則一般進(jìn)入空閑等節(jié)能狀態(tài)，等待喚醒可以在空閑一段時(shí)間后進(jìn)入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤(pán)上在運(yùn)行任務(wù)期間，操作系統(tǒng)還可以利用硬件提供的電源管理功能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片運(yùn)行電壓和頻率，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加細(xì)致的電源管理，操作系統(tǒng)還應(yīng)該能夠管理閑置的設(shè)備，關(guān)閉設(shè)備并提供恢復(fù)手段。

迫切需要高效的電源管理，對(duì)電子產(chǎn)業(yè)節(jié)能和環(huán)保提出了更高的要求?，F(xiàn)有的能源管理技術(shù)中還有許多問(wèn)題有待于研究和解決，電源管理技術(shù)是一個(gè)結(jié)合微電子、集成電路、嵌入式系統(tǒng)和軟件的綜合學(xué)科，是一個(gè)正在快速發(fā)展的研究課題，它對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵性影響，一個(gè)電源管理設(shè)計(jì)的好產(chǎn)品可以幫助產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，克敵制勝。

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