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系统具有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、开发和使用简单等。目前，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。目前，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。实践证明：在硬件设计和选型确定后，功耗的高低与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之内可以产生数百次。

    另外，在编写程序时可能会遇到这样的情况，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。不过，现代的嵌入式CPU具有非常高的电源效率，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，如果电源管理系统只能调节CPU内核的电压和频率，那么它的用途将有限。一个真正有效的电源管理方案应该可以采用与CPU内核执行相协调或相独立的方式，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，目前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可以使机器处于Suspend(悬挂)或Standby(待机)状态，以及检查电池容量；而ACPI还可以使外设(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内核打开它，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序进行特殊的干预。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序代码，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。它可以看成是为驱动程序、中介软件和应用程序提供服务的元素。

    通过在驱动程序中实现电源管理接口，可以让驱动程序密切监控系统状态。它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(这样可保证设备已被唤醒，并处于ready状态)；
    ③用户自己的pnl_callback函数在系统进入suspend状态，或者从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。

    中介程序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。

    在应用程序中，利用中介程序提供的API，设立其基本的约束条件，强迫电源管理机制产生与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()(内核和驱动程序)、set_policy()和set_task_state()(经系统的用户级调用)以及／proc接口。

3 在空闲模式下等待事件
    很多嵌入式CPU都具有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，而所有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，因而可以在任何时候，只要Linux检查到所有线程都处于阻塞状态(如等待中断、事件或定时时间)，它都可以将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。如果事件不能直接连接到外部中断，也可以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，那么可以启动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，如果状态没有变化，就立刻回到空闲模式。

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。即使所有其他线程被阻塞，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，以运行调度程序。就算调度程序确定所有线路都被阻塞，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要求，以决定是否能改变处理中断的方式实现。例如，可以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。不过，这种做法通常不太合适。尽管多数阻塞的线程可以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，这时空闲模式下如果完全关闭系统定时器，可能意味着线路不能按时恢复工作。

    Linux最好能为调度程序进行可变超时设定。Lintux知道每个线程无法确定等待的是外部还是内部事件，或者计划在某特定时间再次运行。Linux可算出第一个线程预定何时运行，并相应地在CPU置于空闲模式之前设定定时器工作。可变超时设定不会对调度程序造成很大的负担，但却能节省电源和处理时间。

    可变计划超时限定只是减少事件的一种方法，存储器直接存取(DMA)也可让CPU长时间处于空闲模式，即使数据正在发送至外设或从外设收取。所以只要可能，都应在外围驱动器中使用DMA，省电效果相当令人满意。

    例如英特尔公司StrongARM CPU串口接收FIF0时，大约每收到8个字节发生1次中断，在115 2OO bps．速度下，发送到这个端口的11 KB脉冲数据会引起CPU内核每秒中断l 500次，很可能使其从空闲模式中唤醒；但如果实际上不需要在这些小的8字节设备中处理数据，浪费是很惊人的。DMA最好与大容量缓冲器一起使用，以使中断发生的水平更加容易管理，或许是每秒10次或l00次，让CPU在两次中断之间空闲。事实证明，在这些场合应用DMA能减少使用率达20％，可降低CPU功耗，并提高供其他线程使用的CPU带宽。

5 控制CPU的性能
    CPU在降低功耗方面的最新进展表明，CPU消耗的能量与驱动CPU的时钟频率以及应用其内核上的电压平方成正比。

    CPU允许动态降低时钟速度。降低一半时钟速度，功耗将成比例下降。但是仅采用这种技术实现节能，还需要一些技巧．因为执行的代码可能要两倍长的时间才能完成，即使这样也不会省电。例如，板上LCD控制器需要使用一个储存在片外SDRAM中的帧缓存。当LCD控制器工作时，需要指定足够高的内存总线频率来满足显示器刷新速率的需要。在LCD不工作的情况下(例如当PDA仅作为MP3播放器使用时)，降低SDRAM总线频率，可以节省整个系统的功耗。

    动态降低电压是另一种做法。越来越多的CPU允许降低电压，以适应CPU时钟速度的下降，这样在降低时钟速度时也能省电。事实上，只要CPU不饱和，频率和电压就能不断减少，这样还是能完成工作，而消耗的电源总体上却比较低。

    考虑到并不是所有线程都消耗同样多CPU带宽，所以即使这些方法也还是可以改进的。有效应用CPU带宽的线程，会随着CPU时钟速度下降而花更长的时间才能完成，这些线程使用分配给它们的每一个周期。另一方面，I／O线程采用分配给它的所有CPU周期，即便CPU时钟速率下降，也要用同样长的时间才能完成。例如，像很多PDA使用的PCMCIA卡接口，当数据写人快闪存储卡时，系统瓶颈不是CPU的速度，而是物理总线接口以及卡的固件为擦掉和重新编程闪存所花的时间。理想情况下，前面讨论的等待事件的技术可在这里应用，以最大程度降低功耗，但是等待时间经常变化很大，远小于操作系统运行时间，这样会影响到性能。这些驱动程序常常检测状态寄存器，此时降低时钟速度将节省一部分电源，但会对数据写入卡的时间产生轻微影响。

    使用控制CPU性能的策略，要知道何时能降低时钟频率和电压而不会显著影响性能；考虑什么时候降低驱动器和应用程序的时钟速度比较难处理。这在多任务处理环境中更加富有技巧性。

6 结 论
    近年来随着计算机和网络通信、消费电子合一的加速发展，嵌入式产品成为信息产业的主流。Linux在短短的十几年时间已经发展成为功能强大设计完善的操作系统之一，可运行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多种硬件平台上，而且开放源代码，并可以定制，越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式Linux的开发和研究上。本文在系统分析的基础上，研究了在嵌入式Linux系统中通过优化软件编写机制来降低最终产品功耗水平的方法，具有很强的实际应用意义。随着研究的深入，嵌入式Linux必将显示出其在低功耗方面的优越性，将有更多的嵌入式设备普及Linux应用。