嵌入式系統電源管理軟件比較

引言

普適計算、智能空間等概念前所未有地擴展了嵌入式系統的應用范圍。同時也對嵌入式系統的功能、可靠性、成本、體積、功耗提出了更嚴格的要求。各種移動終端、可穿戴設備、消費類電子產品、傳感器網絡節點等典型嵌入式設備對能耗越來越敏感，電源管理技術正成為這些產品設計的關鍵所在。電源管理技術正由傳統的基于電源管理器件和外設控制為主的靜態控制方式，轉到以具備智能電源管理功能的嵌入式微處理器結合操作系統為核心的智能管理軟件的動靜態結合的綜合控制模式。

為了應對電源管理技術面臨的挑戰，芯片廠商推出了效率越來越高的電源管理芯片以及對能耗管理功能更加強大、精細的微處理器。以此為基礎，如何設計高效、智能的系統軟件對嵌入式設備進行能源管理，已成為研究熱點。本文將以典型硬件的電源管理功能為基礎，分析幾種代表性嵌入式操作系統的電源管理實現，探討電源管理系統軟件現狀及研究應用前景。

電源管理基本概念與方法

在電池供電的嵌入式系統中，一般采用高效率的電源管理芯片用于供電管理，或采用大容量的電池以解決能耗需求。但這兩種技術的發展還無法滿足快速增加的芯片動態功耗和靜態功耗。當電路工作或邏輯狀態翻轉時會產生動態功耗，未發生翻轉時漏電流會造成靜態功耗。在供電電壓Vdd下消耗的功率P如公式(1)所示：

P=C*V²_dd*f_C+V_ddI_Q (1)

這里C為電容，f_C為開關頻率，V_dd為電源電壓，I_Q為漏電流。C*V²_dd*f_C為動態功耗；V_ddI_Q為靜態功耗。隨著芯片運行速度的提高和工藝尺寸的不斷縮小、密度增加，其動態功耗和靜態功耗也在不斷增長，加劇了電源管理的復雜性。

有一種方法可以協調高性能與低功耗之間的矛盾，就是根據系統負載進行性能調節。從公式(1)中我們可以得知，對一個給定負載，動態功耗的量值與供電電壓的平方成正比，與運行頻率成正比。減少供電電壓并同時降低處理器的時鐘速度，功耗將會呈平方速度下降，代價是增加了運行時間。此外，還可以通過停止芯片模塊的時鐘和電源供應的辦法，將能耗降至最低，代價是重新啟動該模塊時需要額外能耗。因此，通過有效地利用上述能耗管理方法，得到性能和功耗間的最佳平衡，達到節能最大化。

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，如圖1所示。系統電源狀態轉化



系統在運行態(Run)時，設備全部正常工作。在空閑態時，處理器按照特定的模式，進行相應的節能。在掛起狀態下，處理器掛起，主存儲器運行在節能的自刷新模式，只有功耗管理電路、喚醒電路繼續工作。現有的單片機、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。

單片機的電源管理支持

在傳感器網絡應用中，傳感器節點一般采用低廉的8/16位單片機，其電池壽命至關重要。節點工作時按功率消耗由小到大有睡眠(sleep)、空閑(idle)、接收(receive)及發送(transmit)等四種模式。大多時間內，節點都處于睡眠與空閑模式，只有少量能耗。

ATMEL采用picoPower技術的AVR微控制器顯著降低了功耗。這些技術包括一個超低功耗晶振、睡眠模式下自動終止和重激活欠壓檢測器、能完全停止對外圍設備電力供應的省電寄存器以及能夠關閉特定管腳輸入的數字輸入中斷寄存器。picoPower技術使工作電流大幅度降低，減少了斷電狀態下不必要的功耗，使電池使用壽命得到了延長。

ARM的電源管理技術

ARM以其優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

據ARM估計，32位的Cortex-M3處理器內核以0.19mW/MHz(0.18微米)極低的功耗在特殊應用中占據優勢。32位Cortex-M3設備執行任務的速度比8位設備快許多倍，所以活動模式中所用的時間更短，平均功率相應降低。其功耗如表2所示。 表2 Cortex-M3能量消耗

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

例如以TI的 OMAP1610(ARM926E核)處理器為例，內部可以調節參數包括：CPU電壓，DPLL頻率控制，CPU頻率控制，交通控制器(TC)，外部設備控制器，DSP運行頻率，DSP MMU頻率，LCD刷新頻率。通過定義操作點(Operation Points，OP)數據結構來抽象表示頻率、電壓等能耗級別，如表3所示。表3 OMAP1610操作點參數

其中，192MHz-1.5V操作點參數1500表示OMAP3.2核心電壓1500mV；16表示DPLL頻率控制12MHz晶振輸入倍頻16倍；1表示分頻為1；1表示OMAP3.2核心分頻為1(所以它運行在192MHz)；2表示TC(交通控制器)分頻為2(所以它運行在96MHz)；如果使用TI的DSP代碼，則后四個參數為不可控，均使用默認值。

更先進電源管理功能的嵌入式微處理器還有90nm工藝的Marvel PAX300系列，提供更細顆粒的電源管理技術(稱為MSPM)，API和驅動程序；飛思卡爾iMX31支持DVFS(動態的電壓和頻率調節)和DPTC(動態的處理器溫度補償)等技術，它配合飛思卡爾MC13783和MC34704 IC管理器件，Linux驅動和策略管理代碼，用戶可以方便地構建一個具備優秀電源管理能力的嵌入式系統。

ARM 與國家半導體(NS)開發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。

典型嵌入式系統能耗組成

典型嵌入式系統，例如移動終端，其能耗主要部件包括嵌入式微處理器(CPU)、內存、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。據統計，CPU占20%~25%，LCD以及背光占用了20％，內存占15％，電源轉換占5%~10％，其他的組成占用剩余的30%~40%。典型嵌入式系統的能耗組成如圖2所示。



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。后者的有效使用成為系統節能的關鍵所在。

三種典型嵌入式操作系統電源管理實現

伴隨著消費電子產品的普及，電源管理已經成為重要技術指標和產品的有機組成。傳感器網絡的普及迫切需要一種小型化、有極高能耗管理能力的網絡化小型操作系統。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，其能耗管理實現與Windows CE內核架構緊密相關。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展。本文選擇上述三種典型嵌入式操作系統，對其電源管理實現進行討論與分析。

TinyOS

在無線傳感器網絡中，每個傳感器節點都是典型的嵌入式系統，主要功耗器件有處理器、內存、帶A/D的傳感器和無線收發單元等。傳感器由于存儲容量小、運算能力弱、功耗低、易失效等特點，對嵌入式開發提出了更高要求。無線傳感器網絡的特點決定了降低系統功耗是系統設計的核心，決定了電源管理是傳感網專用操作系統重要組成。對電源管理的支持優劣，決定了整個傳感器網絡系統生存周期長短。TinyOS操作系統是一個傳感網專用操作系統的典型代表。它具有基于組件的特性，采用相互關聯的模塊進行能量管理。

TinyOS的每個設備都可以通過StdControl.stop命令被停止。
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。
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，識別當前硬件的狀態，將處理器轉人相應的低功耗模式。
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。
系統的定時器服務可以工作在大多數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，提高操作系統整體能耗效率，并且與不支持電源管理功能的設備和應用兼容，在內核OAL層、設備驅動程序和應用程序之間充當中間人角色。電源管理器還嚴格區分系統的電源狀態與設備的電源狀態，讓一些智能設備可管理自己的電源狀態。

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：被需要進行電源管理的設備的驅動程序使用。
應用程序接口：被需要利用電源管理的應用程序使用。
提醒接口(Notification)：被需要接受電源事件提醒的應用程序使用。
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。



系統電源狀態

Windows CE系統電源狀態的改變可以作為一個OEM事件，或者通過OEM的應用程序和工具調用SetPowerState()函數產生。Windows CE支持以下幾種電源狀態：(1)ON狀態，用戶在主動使用設備。(2)UserIdle狀態，用戶與設備停止交互，但仍有可能使用設備。(3)SystemIdle狀態，在經過一段時間的UserIdle后進入此狀態，但是驅動和系統仍然活動。(4)Suspend狀態，當驅動程序和系統進程不再與系統交互時進入此狀態。(5)ColdReboot和Reboot狀態，冷啟動后系統電源狀態。

設備電源管理
Windows CE設備電源狀態管理和系統相分離。驅動程序需要實現：(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，則為設備啟用喚醒功能。設備還可以通過調用RegisterPower Relationship()函數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。

電源管理器和支持電源管理的設備之間的交互包括兩種機制：(1)電源管理器到驅動程序，電源管理器使用DeviceIoControl()函數向設備驅動程序發送I/O控制(IOCTLs)。設備必須能響應管理器的電源管理能力查詢、狀態設置等IOCTLs。(2)驅動程序到電源管理器，驅動程序使用DevicePower Notify()函數與電源管理器交互，請求電源管理器把它的設備置于某種狀態。如果電源管理器接受該請求則通過發送IOCTL_POWER_SET等IOCTLS來進行設置。
應用程序與電源管理器交互
Windows CE應用程序與電源管理有兩種交互機制：(1)應用程序接口，用以獲取當前系統和設備的電源狀態；(2)電源事件提醒接口，提供電源事件的提醒。應用程序接口中，GetSystemPowerState()函數用來返回當前系統電源狀態。SetSystemPowerState()函數可被OEM程序或者其他應用程序調用，來把系統電源狀態設置為需要值。SetDevicePower()用來設置設備電源狀態。為了實現提醒接口，應用程序還得通過CreateMsgqueue()函數建立消息隊列，將其句柄傳給電源管理器。而后電源管理器把提醒發送到消息隊列中，調用者可選擇可用提醒的一個子集進行響應。
OAL層實現
在Windows CE中，在OAL層，電源管理需要實現OEMIdle()和OEMPowerOff()函數。當系統中沒有任何可調度的線程時，操作系統調用OEMIdle()函數，可以在其中實現降低處理器的頻率以達到省電的目的。當有外部中斷時，CPU可從其中恢復。OEMPowerOff函數基于硬件平臺實現，進行CPU寄存器保存、設置及喚醒恢復等功能。

　　嵌入式Linux

　　嵌入式Linux電源管理結構

　　Linux標準內核標準電源管理有ACPI、APM等機制。這些機制依賴于PC機的BIOS功能實現。嵌入式系統一般都沒有實現BIOS支持，對其能耗管理機制需要進行其他定義。消費類電子產品聯盟―CELF對能耗管理作了定義，其框架如圖4所示。

圖4 CELF電源管理規范

　　CELF的能耗管理框架分為內核層和用戶層。內核層又劃分為體系結構無關層和體系結構相關層。體系結構相關層主要提供可管理硬件支持，例如處理器電壓和運行頻率調節，各種總線運行頻率管理，設備的關斷管理等。內核體系結構無關層在體系結構相關層的基礎上為用戶層提供APIs，進行各種能耗管理功能的支持。它包含一個能耗管理(PM)引擎，根據系統任務負載選擇系統運行狀態;提供能耗管理的掛起和恢復方法;提供VST技術，通過估計下次準確喚醒時間來確保在進入深度睡眠時，不被原來固定時間產生的定時器中斷喚醒;還包含了各種外部設備關閉/開啟的操作邏輯。

　　用戶通過編制具有一定智能的管理策略駐留程序，利用系統提供的能耗管理機制，進行有效的系統能耗管理。

　　此外，在某些實現中，也可以將ACPI中的BIOS調用進行映射，在內核用軟件實現回調函數，用以支持沒有BIOS的電源管理。

　　嵌入式Linux內核電源管理實現分析

　　2.6內核提供了一個電源管理框架，在其基礎之上容易實現各種電源管理規范，例如ACPI和APM規范。2.6內核中的設備驅動模型(Linux Driver Model，LDM)是內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。通過這種文件系統接口，可以對平臺進行有效的電源管理。

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

　　靜態電源管理

　　Linux內核支持ON, Standby, Suspend, 和Hibernate四種電源狀態。Standby指“帶電掛起”，通過將CPU置于halt狀態，將設備置于D1狀態來達到節能的目的(ACPI規范中按能耗從高到低分D0~D3)。節能效果不明顯，但是響應延遲最小。Suspend就是掛起到RAM。在該狀態下，所有設備被置于D3狀態，整個系統，除主存處于節電的自刷新模式(self-refresh)外，全部關閉電源。響應延遲比Standby大。Hibernate 是通過將系統狀態保存到非易揮發性存儲中(通常是磁盤)，關閉整個系統的電源。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。

　　通過sysfs文件系統接口觸發系統級電源狀態轉化。轉換管理是通過注冊好的驅動來進行。例如，prepare函數確認系統能夠進入所請求的狀態，并且進行相應的準備工作。例如通過禁止搶占和“冷凍”所有進程來準備進入所請求的電源狀態。Save函數枚舉所有注冊有電源管理能力的設備，保存系統和處理器的低層狀態。接著PM核心禁止了中斷，關閉外部設備電源，調用Sleep函數根據掛起級別進入睡眠狀態。在嵌入式設備掛起過程中可以通過寫入某些特殊的非易失性處理器寄存器來記錄掛起的原因和掛起時的代碼執行地址。系統上電后引導程序先執行，從特殊寄存器中判斷系統是否從深度睡眠(Hibernation)中恢復。如果是，則負責從非易揮發性存儲介質中恢復所有的硬件上下文。如果不是，系統負責從sleep()函數處返回。給所有設備上電，恢復中斷。Restore函數被用來恢復系統的低層調用，恢復設備上下文。Cleanup函數從sleep狀態恢復必須進行的清尾工作，例如搶占重新被允許，系統恢復正常執行。當一次完整的轉換完成后，CPU執行權還給之前執行的進程。

　　動態電源管理

　　(1)動態電源管理原理

　　如圖5所示，系統無任務時進入空閑，可被中斷喚醒，處理完后重新進入空閑或者回到任務態。如果系統被掛起到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，實現最大限度地省電。根據運行時不同的任務負載，系統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。在完成任務的同時，進行最大化的節能。

圖5 操作狀態間的轉換

　　(2)動態電源管理設計

　　在Linux架構下實現動態電源管理，需要(1)用戶層的管理策略;(2)內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。

　　用戶層策略通過sysfs文件系統接口(或proc文件系統接口)以及系統調用接口(APIs)來進行電源管理。內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的電源操作點(相關可控的硬件參數)。內核硬件相關層主要對應系統的各種總線和設備時鐘電源參數管理，并管理多種設備的參數約束。

　　設備驅動電源管理

　　在某些設備閑置時可以被主動關閉，從而節電。在2.6內核中需要實現總線以及設備的電源管理支持，在驅動中需要實現設備驅動的suspend/resume函數。

　　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。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。

　　用戶層電源管理策略

　　嵌入式系統如何做到有效的平臺級能耗管理需要在內核提供的機制上實現一個智能化的管理軟件，監控系統電源狀態，處理相應電源事件，執行針對特定應用制定的管理策略。現有的Linux ACPI和APM的后臺駐留進程，可以供嵌入式系統實現參考。商業的嵌入式linux 公司MontaVista 在其Moblinux 4.0以后的版本也提供一個用戶態的電源管理策略和界面。

　　嵌入式操作系統電源管理實現比較

　　嵌入式操作系統的電源管理功能實現結構中，主要可以分為核心層、接口層、應用策略管理層。核心層需要提供一個體系結構無關的電源管理框架，感知系統負載，進行系統電源狀態管理。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管理，例如進行電壓/頻率調節及相應的約束管理。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提供的電源管理機制。并且根據不同的應用需求編制智能化的管理策略。

　　在電源管理功能上大致可以分為(1)系統級電源管理，(2)動態電源管理，(3)設備電源管理等三類。操作系統檢查任務負載情況，如果沒有需要運行的任務，則一般進入空閑等節能狀態，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，操作系統還可以利用硬件提供的電源管理功能動態調節芯片運行電壓和頻率，對系統進行更加細致的電源管理。操作系統還應該能夠管理閑置的設備，關閉設備并提供恢復手段。

　　上面我們分析的三種典型的嵌入式操作系統在電源管理方面是各有特色;TinyOS 簡練小巧有基本的內核態和系統級的電源管理功能，但是相對比較簡單;WindowsCE電源管理模塊結構清楚，特別有提供了應用程序的接口，但是到目前看到的為止Windows CE/Mobile 開放給用戶的電源管理功能還待提升;Linux 是開源代碼，具有豐富的硬件電源管理支持，策略和動態的電源管理功能，但是相當實現的零散和分散，應用軟件的接口不清晰和標準，需要用戶作的工作比較多。

　　總結和展望

　　消費類電子如近年流行的智能手機、GPS、移動電視都迫切需要高效的電源管理，傳感網節點需要電源管理，以便大規模部署，全球變暖等國際性的問題也對電子產業節能和環保提出了更高的要求。現有的能源管理技術中還有許多問題有待于研究和解決，例如，(1)設計更加節能的芯片，減少系統的靜態功耗，半導體制造工藝的改進，在芯片級別進行更好性能監測，通過設計優良的負載預測算法，在系統運行中對能耗級別進行更加精細調節。(2)在系統軟件的設計上需要規范定義一個適合應用體系的框架結構，比如Intel 發起的PPM(power police mangment) 和APM(application power management)就是一個基于Linux 的開源項目，它推動著一個系統級和應用相關的電源管理軟件系統。(3)在網絡化的系統中，如何進行網絡化能耗管理，在通訊過程中達到能耗最小化，例如研究能耗感知的路由算法，選擇一個最節能路徑，避免不必要的喚醒與睡眠。(4)電源管理的QoS，一個旨在更好的管理硬件系統，以達到性能和功耗平衡的系統。比如CPU的空閑管理，能耗高的Wi-Fi和其他網絡設備管理等。(5)電源管理的測試和分析工具。總之，電源管理技術是一個結合微電子、集成電路、嵌入式系統和軟件的綜合學科，是一個正在快速發展的研究課題。它對電子產品的設計具有關鍵性影響，一個電源管理設計的好產品可以幫助產品在市場競爭中脫穎而出，克敵制勝。

　　參考文獻：

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　　2. 趙永超，Cortex-M3處理器在超低功耗應用的實現策略，ARM Technical Symposiums, 2007

　　3. ARM Limited. ARM1176JZF Development Technical Reference