嵌入式系統(tǒng)電源管理架構分析與設計

李宏升

（黃淮學院網(wǎng)絡中心 河南 463000）

0 引言

越來越多的嵌入式設備采用電池供電，如手機、PDA、數(shù)碼相機、掌上儀器等。隨著這些設備性能的不斷提高以及功能的不斷擴展，對電池的要求也越來越高；對能耗越來越敏感。電源管理技術正成為這些產(chǎn)品設計的關鍵，正由傳統(tǒng)的基于電源管理器件和外設控制為主的靜態(tài)控制方式，轉變?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靜態(tài)結合的綜合控制模式。

為了應對電源管理技術面臨的挑戰(zhàn)，各芯片廠商相繼推出了越來越高效的電源管理芯片和功能更加強大、管理更精細的微處理器。以此為基礎，怎樣設計高效、智能的系統(tǒng)軟件對嵌入式設備進行能源管理，已成為嵌入式系統(tǒng)行業(yè)又一個研究熱點。

1 嵌入式微處理器對電源管理的支持

從8位單片機到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)轉化。

圖1 嵌入式系統(tǒng)電源狀態(tài)轉化示意圖

系統(tǒng)在運行態(tài)時，設備全部正常工作；在空閑態(tài)時，處理器按照特定的模式，進行相應的節(jié)能；在掛起狀態(tài)下，處理器掛起，主存儲器運行在節(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、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 單片機的電源管理支持

在傳感器網(wǎng)絡應用中，傳感器節(jié)點單元一般采用低廉的8/16位單片機，其電池壽命至關重要。節(jié)點工作時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。大多時間內(nèi)，節(jié)點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

ARM以其優(yōu)秀的低功耗技術在消費類電子等領域得到廣泛應用。ARM實現(xiàn)了不同級別的低功耗管理技術，如表1所示：

表1 ARM不同級別的低功耗管理技術

高端ARM處理器還支持功能更強大的電源管理功能，通過電壓調節(jié)與頻率調節(jié)相結合，極大地降低功耗，提高能量效率動態(tài)電壓調節(jié)（DVS）是通過對系統(tǒng)的負載預測，在一個開環(huán)電壓控制系統(tǒng)中用多組能耗級別的頻率、電壓對來實現(xiàn)多級能耗控制功能。自適應電壓調節(jié)（AVS）用一個閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，它無需配對的頻率、電壓，能提供更優(yōu)的節(jié)能效果。

ARM與國家半導體公司（NS）開發(fā)出了先進的能量管理解決方案，智能能量管理器（IEM）預測軟件決定了處理器可以運行的最低性能級別，同時，通過智能能量控制器（IEC）的幫助、通過自適應功率控制器（APC）與外部能量管理單元（EMU）一起工作，使處理器運行在能保證應用軟件正確運行的最低電壓和頻率下。

2 嵌入式操作系統(tǒng)對電源管理的實現(xiàn)與比較

基于傳感器網(wǎng)絡的小型操作系統(tǒng)、源于斯坦福大學的TinyOS是其中典型代表；Windows CE在嵌入式移動終端設備中得到廣泛應用，其能耗管理實現(xiàn)與Windows CE內(nèi)核架構緊密相關；Linux以其開放性和可定制等特點在嵌入式領域得到極大的發(fā)展。本文針對上述三種典型嵌入式操作系統(tǒng)，對其電源管理實現(xiàn)進行討論與分析。

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，電源轉換部件，其他部件還可能包括基帶處理器、DSP、外設控制器等。據(jù)統(tǒng)計，CPU占20%～25%，LCD以及背光占用了20%，內(nèi)存占15%，電源轉換占 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，有些元件性能指標和能耗固定；有些元件可在不同時間工作，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)能的關鍵所在。

TinyOS：TinyOS操作系統(tǒng)是無線傳感網(wǎng)專用操作系統(tǒng)的典型代表。在無線網(wǎng)絡傳感器中，每個傳感器節(jié)點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的傳感器和無線收發(fā)單元等。無線傳感器網(wǎng)絡的特點決定了降低系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設計的核心，決定了電源管理是傳感網(wǎng)專用操作系統(tǒng)重要組成。對電源管理的支持優(yōu)劣，決定了整個傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)生存周期長短，它具有基于組件的特性，采用相互關聯(lián)的模塊進行能量管理。

我訪問的國家已經(jīng)超過了35個，但在過去7年里，我把大部分時間都花在了探索越南少數(shù)民族文化上。我仍然會每年去一次印度和古巴。最近，我去婆羅洲拜訪了巴瑤族人，在那里待了一個星期。因為無法與當?shù)厝私涣?，我感到很沮喪。游客們也?jīng)常在這里潛水，可我甚至很難找一艘船接近巴瑤族人，但我喜歡這個地方，我還會再去的。

（1）TinyOS的每個設備都可以通過StdControl.stop命令被停止。

（2）負責管理外圍硬件設備的組件將切換該設備到低功耗狀態(tài)。

（3）TinyOS的HPLPowerManagement構件通過檢查處理器的I/O引腳和控制寄存器狀態(tài)，識別當前硬件的狀態(tài)，將處理器轉人相應的低功耗模式。

（4）調度器會在就緒任務隊列為空時，自動將處理器置于低功耗模式但是保留外圍設備的運行，以至于他們中的任何一個可以喚醒系統(tǒng)。

（5）系統(tǒng)的定時器服務可以工作在大多數(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）來提供管理電源框架。電源管理器負責管理設備電源，提高操作系統(tǒng)整體能耗效率。管理器還嚴格區(qū)分系統(tǒng)的電源狀態(tài)與設備的電源狀態(tài)，讓一些智能設備可管理自己的電源狀態(tài)。

?電源管理器結構：Windows CE電源管理器PM.DLL直接與設備管理器Device.exe鏈接，并支持三個接口：驅動程序接口、應用程序接口、提醒接口。

電源管理器直接或間接地與應用程序和驅動程序交互電源管理器與驅動程序主要通過驅動程序接口進行交互，與應用程序通過API和提醒接口進行交互，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)，用戶在主動使用設備；②UserIdle狀態(tài)，用戶與設備停止交互，但仍有可能使用設備；③SystemIdle狀態(tài)，在經(jīng)過一段時間的UserIdle后進入此狀態(tài)，但是驅動和系統(tǒng)仍然活動；④Suspend狀態(tài)，當驅動程序和系統(tǒng)進程不再與系統(tǒng)交互時進入此狀態(tài)；⑤ColdReboot和Reboot狀態(tài)，冷啟動后系統(tǒng)電源狀態(tài)。

設備電源管理

Windows CE設備電源狀態(tài)管理和系統(tǒng)相分離，驅動程序需要實現(xiàn)：①響應電源管理器的請求，報告它的電源能力；②處理電源管理器發(fā)送的電源請求；③啟動后給設備加電；④關閉時給設備停止供電；⑤如果它可以喚醒系統(tǒng)，則為設備啟用喚醒功能，設備還可以通過調用RegisterPower Relationship（）函數(shù)告訴電源管理器它為獨立的子設備驅動處理電源請求例如總線設備驅動或某些設備驅動代理。

嵌入式Linux：2.6內(nèi)核提供了一個電源管理框架，在其基礎之上容易實現(xiàn)各種電源管理規(guī)范，例如ACPI和APM規(guī)范 2.6內(nèi)核中的設備驅動模型（Linux Driver Model，LDM）是內(nèi)核對電源管理基礎支持，Kobject基本結構嵌入到描述設備模型的組件的bus、devices、drivers結構中，這些容器就是通過kobject連接起來形成樹狀結構，每個對象的屬性（attribute）以文件形式輸出到kobject對應的sysfs目錄下，通過這種文件系統(tǒng)接口，可以對平臺進行有效的電源管理。

3 嵌入式系統(tǒng)電源管理的分類

就嵌入式系統(tǒng)而言，電源管理可以分為靜態(tài)電源管理，動態(tài)電源管理，設備電源管理等三個方面。

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”，通過將CPU置于halt狀態(tài)，將設備置于D1狀態(tài)來達到節(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，但是響應延遲最小Suspend就是掛起到RAM在該狀態(tài)下，所有設備被置于D3狀態(tài)，整個系統(tǒng)，除主存處于節(jié)電的自刷新模式（self-refresh）外，全部關閉電源。響應延遲比Standby大Hibernate是通過將系統(tǒng)狀態(tài)保存到非易揮發(fā)性存儲中（通常是磁盤），關閉整個系統(tǒng)的電源延遲時間最長，但比一次完整啟動來得短通常情況下嵌入式設備都沒有支持這種方式。

3.2 動態(tài)電源管理

如圖4所示，系統(tǒng)無任務時進入空閑，可被中斷喚醒，處理完后重新進入空閑或者回到任務態(tài)，如果系統(tǒng)被掛起到RAM中，進入深度睡眠可以關閉除了中斷控制器和喚醒源之外的所有設備，實現(xiàn)最大限度地省電，根據(jù)運行時不同的任務負載，系統(tǒng)應該有對應的不同電源級別。如圖示中的任務、任務、任務+等代表電源需求的狀態(tài)在完成任務的同時，進行最大化的節(jié)能。

圖4 動態(tài)電源管理

3.3 設備電源管理

設備電源管理模塊通過對設備驅動進行約束，管理設備時鐘和電源，設置各種總線和設備時鐘電源參數(shù)，提供掛起和恢復控制。通過這些接口參數(shù)可以操縱設備的電源狀態(tài)。在多種情況下，可利用該接口來掛斷設備，DPM中管理設備電源狀態(tài)時還提供設備驅動約束檢查（頻率相關），檢查該狀態(tài)是否滿足設備正常運行。如果不滿足，驅動約束還用于限制DPM操作方式。當沒有設備被使用時，約束才允許DPM將系統(tǒng)轉到低電源空閑狀態(tài)。

4 動態(tài)電源管理設計

在Linux架構下實現(xiàn)動態(tài)電源管理，需要（1）用戶層的管理策略；（2）內(nèi)核模塊需要為應用層提供的接口；（3）硬件無關的通用電源管理邏輯控制框架；（4）管理特定硬件的平臺相關電源控制層。

4.1 用戶層策略

通過sysfs文件系統(tǒng)接口（或proc文件系統(tǒng)接口）以及系統(tǒng)調用接口（APIs）來進行電源管理 內(nèi)核硬件無關層提供電源管理邏輯控制，針對任務負載情況選擇反映當前任務電源狀態(tài)的電源操作點（相關可控的硬件參數(shù)）內(nèi)核硬件相關層主要對應系統(tǒng)的各種總線和設備時鐘電源參數(shù)管理，并管理多種設備的參數(shù)約束。

4.2 設備驅動電源管理

在某些設備閑置時可以被主動關閉，從而節(jié)電 在2.6內(nèi)核中需要實現(xiàn)總線以及設備的電源管理支持，在驅動中需要實現(xiàn)設備驅動的suspend/resume函數(shù)。關閉一個設備，其驅動的suspend方法需要兩個不同的調用，一個用來保存狀，另外一個用來關閉設備電源相反，resume方法需要一個調用用來給設備供電，另一個調用來恢復設備的狀態(tài) 在關閉一個總線設備時必須關閉所有的下一級子設備相反地，重新使能總線設備時，必須先使能根設備，然后再使能子設備。

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級能耗管理需要在內(nèi)核提供的機制上實現(xiàn)一個智能化的管理軟件，監(jiān)控系統(tǒng)電源狀態(tài)，處理相應電源事件，執(zhí)行針對特定應用制定的管理策略 現(xiàn)有的Linux ACPI和APM的后臺駐留進程，可以供嵌入式系統(tǒng)實現(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用戶態(tài)的電源管理策略和界面。

5 電源管理技術的發(fā)展與展望

嵌入式操作系統(tǒng)的電源管理功能實現(xiàn)結構中，主要可以分為核心層、接口層、應用策略管理層（圖）。核心層需要提供一個體系結構無關的電源管理框架，感知系統(tǒng)負載，進行系統(tǒng)電源狀態(tài)管理。核心層還需要一個體系結構相關層，提供硬件相關的電源狀態(tài)管理，例如進行電壓/頻率調節(jié)及相應的約束管理。核心層還需要提供一個用戶編程接口，用戶層通過編程來利用系統(tǒng)提供的電源管理機制，并且根據(jù)不同的應用需求編制智能化的管理策略。

在電源管理功能通過操作系統(tǒng)檢查任務負載情況，如果沒有需要運行的任務，則一般進入空閑等節(jié)能狀態(tài)，等待喚醒可以在空閑一段時間后進入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上在運行任務期間，操作系統(tǒng)還可以利用硬件提供的電源管理功能動態(tài)調節(jié)芯片運行電壓和頻率，對系統(tǒng)進行更加細致的電源管理，操作系統(tǒng)還應該能夠管理閑置的設備，關閉設備并提供恢復手段。

迫切需要高效的電源管理，對電子產(chǎn)業(yè)節(jié)能和環(huán)保提出了更高的要求?，F(xiàn)有的能源管理技術中還有許多問題有待于研究和解決，電源管理技術是一個結合微電子、集成電路、嵌入式系統(tǒng)和軟件的綜合學科，是一個正在快速發(fā)展的研究課題，它對電子產(chǎn)品的設計具有關鍵性影響，一個電源管理設計的好產(chǎn)品可以幫助產(chǎn)品在市場競爭中脫穎而出，克敵制勝。

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