嵌入式設備的智能化電源管理系統

劉英,李貴明

(1.深圳大學物理技術與科學學院,深圳518060;2.中國科學院合肥物質科學研究院)

引 言

隨著嵌入式CPU技術、大容量微硬盤和高速無線網絡的發展,移動嵌入式設備步入了嶄新的時代,功能越來越多樣化,逐步發展成為融數字通信、商務助理、實時網絡于一體的個人助理終端,已成為人們必不可少的隨身助手。但是,CPU的高頻處理、大尺寸顯示屏和觸摸屏、高功率無線射頻都對嵌入式設備的電源供給帶來了前所未有的挑戰。

各種嵌入式操作系統顯然無法預期軟硬件技術發展對電源管理提出的更高要求。原有嵌入式設備的電源管理由于沒有過多考慮設備的移動性能,所以更適合于交流供電的環境下使用,如廣泛應用于數據采集、安防監控等。移動嵌入式設備必須充分考慮電池供電所面臨的電源瓶頸,其中的電源管理策略是最切實際的突破口。依托于移動嵌入式設備的使用場景,可以在系統電源狀態劃分、電源狀態轉換邏輯、設備電源狀態和系統電源狀態映射等多個方面進行改進。實踐證明,這種改進方式在成本上是最節約的,但實際效果卻非常理想。

1 系統電源管理基本架構

嵌入式移動設備不同于一般嵌入式設備之處,在于其不可能經常處于CPU全速工作狀態,所以電源管理的主要目的是減少目標設備的電源消耗,并在系統處于復位、運行、空閑和掛起狀態時維持和保護位于RAM中的文件系統。因此,大多數的嵌入式操作系統都為系統的電源狀態進行了分級,在這里以Windows CE操作系統為例,系統電源狀態被預定義了如下基本等級[1-2]:

on,設備被打開和運行的狀態。設備接收來自系統的全部電量并為用戶提供全部的功能,此時大部分外設都處于全速工作模式,設備耗電量最大。

idle,設備處于半空閑狀態。基本沒有外部操作干預,可以考慮使某些外設進入休眠狀態,CPU也可進入降頻、低功耗模式。

suspend,設備待機狀態。CPU和所有外設基本都停止工作,只能依賴外部中斷源喚醒。此時系統耗電量極低。

off,設備沒有被供電的狀態。此時系統供電已停止,整個設備不耗電,停止工作。

受電源管理約束的嵌入式設備應該是處于以上各電源狀態的轉換之中,其基本狀態切換關系如圖1所示。

on to idle。當內核沒有任何線程在運行時,電源狀態將被改變為idle,然后CPU等待一個內部中斷。

圖1 系統電源狀態轉換圖

idle to suspend。活動計數器超時,CPU進入停止工作狀態,只能依靠外部中斷源喚醒。

idle to on。當出現一個內部中斷時,電源的狀態轉換為on狀態。在典型情況下,計時器中斷,用戶按鍵中斷等都會引起這種轉換。

suspend to on。外部中斷源導致系統切換到on狀態。在典型情況下,具有外部中斷源的外設都能觸發這種轉換,如通信模塊中斷、電源按鍵中斷、電池模塊低電量中斷等。

on to off。低電量關機或用戶主動操作關機會形成這種轉換。

off to on。用戶開機或外部定時器觸發開機[1-3]。

2 系統電源管理改進思路

從電源管理的思路上看,如果需要做到有效、智能化的電源管理,以下幾點是非常關鍵的:

①CPU的功耗。智能化的嵌入式CPU芯片具有頻率自動調節功能,在系統繁忙度不高時會自動降低工作頻率,以達到省電的目的。

②on狀態下的CPU消耗。因為在用戶操作的情況下,系統還是只能處于全速工作狀態,所以設備的功耗還與嵌入式應用軟件的編寫有很大關系,軟件算法對CPU的消耗影響還是很大的。

③低功耗狀態的有效設立及其占空比。這里所說的低功耗狀態是指除了on狀態以外的其他電源狀態,這些電源狀態的設立本身也是以降低功耗為出發點的。因此,如何設立合理的低功耗狀態并使其正常轉換是非常關鍵的。每定義一種電源狀態必須有明確的功耗含義,要考慮到該電源狀態要關閉和開啟哪些設備,以達到從整體上降低功耗的目的。同時,何時進入某種低功耗狀態,在該狀態維持的時間也非常重要。另外,還必須充分考慮應用環境,因為移動式嵌入式設備大多數的使用場景是非常復雜的,比如一部智能手機,想要明確區分各使用場景是較為困難的。

CPU自身的頻率自動調節功能依賴于各CPU廠商的技術,on狀態的CPU消耗依賴于應用程序開發人員的開發水平和實際工作環境,這兩點都不是本文所關注的話題,這里主要說明的是一套智能化的電源管理系統。

3 優化后的嵌入式電源管理系統

系統電源狀態的劃分只是一個邏輯上的定義,其具體表現依賴于具體外設在各個電源狀態中的實際耗電情況。因此,有兩點對于提高電源管理的效率是很重要的:

◆納入電源管理的外設是否足夠多;

◆電源狀態的劃分和轉換條件是否合理。

越智能化的嵌入式系統具有的電源狀態等級應該越多,但同時控制轉換流程也越復雜。下面以一個智能手機為例闡述一個智能化的嵌入式電源管理系統。

3.1 更細致的idle狀態分級

相比傳統的idle狀態,因為智能手機面臨更為復雜的用戶操作場景,所以只靠一個idle狀態顯然是不夠的。改進后的idle分為兩個狀態等級:用戶空閑狀態(user-idle)和系統空閑狀態(system-idle)。user-idle狀態CPU工作頻率不變,只是涉及用戶感官的某些外設狀態發生改變,如顯示屏亮度變低等。user-idle狀態維持一段時間后系統再進入system-idle狀態,此時CPU降頻工作,大部分外設進入省電狀態,如顯示屏關閉、觸摸屏關閉、鍵盤服務關閉等。user-idle狀態設置的目的在于可以有效避免CPU在on狀態的最大消耗。因為在此狀態下實際上還有工作線程在占據CPU,整個設備無法進入系統空閑狀態,但是可以通過關閉或降低某些外設來達到降低整體功耗的效果。當然,在可能的情況下,idle狀態還可以根據實際場景進行更細致的劃分。

3.2 異常處理狀態的設立

可以通過建立異常處理狀態來避免不必要的能耗損失。unusual狀態是新增的一個系統電源狀態,因為系統處于待機狀態時經常會被各種各樣的中斷喚醒,有些是必須由用戶處理的中斷,如來電、按鍵等,此時suspend狀態轉換到on狀態就沒什么問題。但如果一些沒有必要由用戶處理的狀態,也跳轉到on狀態,就會造成不必要的功耗損失。因此unusual狀態可以作為邏輯處理層存在,如果需要用戶處理,直接跳轉到on狀態,否則在一定時間內轉換回到suspend狀態。

改進后的系統電源狀態轉換圖如圖2所示。

增加的電源狀態轉換邏輯:

on to user-idle。當自定義的轉換條件滿足時,設備跳轉到user-idle狀態,此時某些外設根據系統電源狀態映射相應的設備電源狀態。CPU仍然處于全速工作狀態。

圖2 改進后的系統電源狀態轉換圖

user-idle to system-idle。當內核沒有任何線程在運行時,電源狀態將被改變為idle,然后CPU等待一個內部中斷。

system-idle to suspend。活動計數器超時,CPU進入停止工作狀態,只能依靠外部中斷源喚醒。

user-idle/system-idle to on。當出現一個內部中斷時,電源的狀態轉換為on狀態。

suspend to unusual。外部中斷源導致系統喚醒,此時會跳轉到unusual狀態,由電源管理邏輯控制單元決策進一步的狀態轉換,此時,CPU工作正常,但大部分外設處于待機狀態。

unusual to on。如果外部中斷源需要用戶處理,跳轉到on狀態。典型情況如:用戶按電源鍵,通信模塊中斷等。

unusual to suspend。如果外部中斷源不需要用戶處理,自動從此狀態跳轉到suspend狀態,如某些異常中斷或錯誤信號。

3.3 電源狀態轉換時間的智能調節

系統電源狀態的轉換通常是由一組系統定時器來完成,當系統進入某個電源狀態時,此狀態對應的計時器開始計時,分下面幾種狀態轉換情況:

①無外界條件干預,狀態計時器正常歸零,系統進入預設的下一電源狀態。如on to user-idle、user-idle to system-idle、system-idle to suspend、unusual to suspend,此類轉換可歸為電源狀態的自然轉換。

②在計時器運行過程中,外部條件強制切換電源狀態,此時系統進入指定的電源狀態,同時計時器賦值到指定的電源狀態初值。如在user-idle轉換到system-idle過程中,用戶可能會強行切換狀態到on狀態。此類轉換歸為電源狀態的強制轉換。

③如果不進行電源狀態的維持,系統電源狀態就會按照自然轉換的流程進行下去,直至系統待機。所以很多情況下需要把系統維持在某個電源狀態,這時只需要對狀態計時器重新初始化即可。

傳統的嵌入式電源管理中,各個狀態計時器的初值都是固定的,所以,從on到suspend的整個電源狀態轉換周期基本固定。然而在實際應用中,這種策略就顯得不夠智能。因為各種不同場景對電源狀態的要求是不一致的,有些場景可能會希望盡快待機以節省電量,有些場景又希望能系統能長期工作在低功耗狀態而不能待機。所以,提出了電源狀態轉換時間的智能調節。

智能化電源管理系統的轉換時間是根據當前的用戶環境來進行調節,比如處于屏幕鎖定狀態時,各個狀態之間的轉換時間會被調節到很低,從而系統能在很短時間內進入到待機狀態。而用戶處于瀏覽模式時,on to user-idle和user-idle to system-id le的轉換時間會調節較長,以避免用戶會經常進行電源狀態的強制切換,從而改進用戶體驗,同時減少電源狀態多次轉化導致的額外開銷。用戶的使用模式從軟件的角度很容易獲取,再融入到電源管理的狀態轉換策略中。

綜合上述電源管理策略,得出一組模擬用戶使用的電量消耗對比數據,如圖3所示。

圖3 原始電源管理和改進后的電源管理電流消耗

這是一組120m in內模擬用戶使用的設備電流消耗對比圖,虛線表示原始電源管理下的平均電流消耗,實線表示改進后電源管理下的平均電流消耗。原始電源管理在120m in內的平均電流為90.4m A,而改進后的電源管理在120m in內的平均電流為55.9 mA。從中可以看出,相比傳統電源管理,智能化電源管理系統在平均電流節省方面的效果是非常明顯的,其中抗干擾能力和智能調節電源狀態維持時間起到了非常明顯的作用。

3.4 納入盡可能多的外設

當一個設備驅動程序被加載時,它應該使這個設備進入全開狀態;在一個驅動程序被卸載時,則應該使這 個設備進入關閉狀態。這兩個狀態是設備必須支持的狀態。同時,智能化的外設具備了更多的設備電源狀態,如sleep、suspend狀態等,以滿足在系統電源狀態改變時能對應進入自身的一種節電模式。所以,只有納入電源管理的設備才有條件隨時更新自身的設備電源狀態,否則設備一直處于常開狀態是非常耗電的。

因為不同的嵌入式系統在實際工作環境中對外設的要求差別很大,這里就不再進一步闡述。總之,智能化的電源管理設計原則和前提是盡量使外設納入系統電源管理的控制。

結 語

嵌入式設備的智能化電源管理是在傳統嵌入式電源管理系統基礎上衍生出來的,其基本出發點在于充分利用電源管理對外部設備集中管理,綜合實際使用場景對系統電源狀態進行更細致的分級,并明確該狀態具體的功耗指標。同時,能夠自動調節電源狀態的轉換時間,有效提高低功耗狀態的占空比,從而達到功耗和用戶體驗的最大限度平衡。從實驗結果看,這種改進的效果是非常明顯的,對于移動嵌入式設備的續航能力有很大程度的改進。

[1]張冬泉.Windows CE實用開發技術[M].北京:電子工業出版社,2006.

[2]何宗鍵.Windows CE嵌入式系統[M].北京航空航天工業出版社,2006.

[3]Petzold C.Windows CE程序設計[M].北京大學出版社,1999.