資料介紹
為了在產(chǎn)品眾多、競爭激烈的市場上使產(chǎn)品與眾不同,手持設(shè)備的制造商們往往把電池壽命和電源管理作為手機、PDA、多媒體播放器、游戲機、其它便攜式消費類設(shè)備等產(chǎn)品的關(guān)鍵賣點來考慮。用戶是從電池壽命這方面來看待電源管理的成效,其實它是多種因素共同作用的結(jié)果,這些因素包括 CPU 功能、系統(tǒng)軟件、中間件,以及使用戶可以在更長的充電或更換電池的間隔時間內(nèi)享用各自設(shè)備的策略。
電源管理范圍
任何擁有筆記本電腦的人都會感覺到,他們的這種便攜式設(shè)備依靠電池運行時,與依靠交流電(主電源)運行對比,行為表現(xiàn)不一樣,屏幕變暗了,處理器時鐘變慢了,并且系統(tǒng)只要有可能,就會轉(zhuǎn)入待機或睡眠狀態(tài)。
另外,PDA 的擁有者們還發(fā)現(xiàn),在設(shè)備停用一段時間之后,屏幕會變暗,設(shè)備甚至進入睡眠狀態(tài),而手機用戶會注意到,撥號之后,背光和按鍵照明光熄滅了。在肉眼能夠察覺的這些行為的背后,是若干軟硬件技術(shù)和策略在起作用。
明顯的行為如全速運行、待機和睡眠等,充分利用了 CPU 本身的功能來降低工作電壓和/或時鐘頻率,從而省電。大多數(shù)設(shè)備用戶覺察不到的是,實際的電源管理還可以是漸增的,并且可以每秒發(fā)生好幾百次,而不是整個系統(tǒng)狀態(tài)大規(guī)模變化。
任何動態(tài)電源管理 (DPM) 戰(zhàn)略開始都是調(diào)節(jié)便攜式設(shè)備中存在的一個或多個處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率——高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86 的系統(tǒng)通常配備一塊 DSP 或智能基帶處理器。實際上,Intel XScale 和 TI OMAP 等處理器系列提供了內(nèi)核電壓和頻率的動態(tài)調(diào)節(jié)。不過,現(xiàn)代嵌入式處理器的用電效率非常高,以至于 CPU 并不總是主要的耗能器件,其它大能耗器件可能包括高性能存儲器、彩色顯示器和無線接口。因此,動態(tài)電源管理系統(tǒng)如果只關(guān)注對處理器內(nèi)核的電壓和頻率進行調(diào)節(jié)的話,那么它的用途也許很有限。
真正有用的電源管理方案將支持各種電壓和時鐘的快速調(diào)節(jié),既可以與 CPU 內(nèi)核的運行協(xié)同進行,也可以獨立進行。
架構(gòu)
兩種現(xiàn)有的電源管理方案是來自“白箱”PC 及筆記本電腦領(lǐng)域,第一種是傳統(tǒng)的“高級電源管理”(Advanced Power Management,簡稱 APM)方案,仍用于許多基于 Linux 的便攜式設(shè)備中,而基于微軟操作系統(tǒng)的筆記本電腦和手持設(shè)備已停止采用這種方案了,第二種是“高級配置和電源接口”(Advanced Configuration and Power Interface,簡稱 ACPI),這種現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)得到了英特爾、東芝等公司的支持。對于 PC、筆記本電腦、服務(wù)器、甚至面向通信設(shè)備的刀片服務(wù)器等“商業(yè)成品”(commercial off-the-shelf,簡稱 COTS)硬件,ACPI 等系統(tǒng)更受青睞,不過它們表現(xiàn)出對目前盛行的 x86/IA-32 BIOS 架構(gòu)的強烈依賴。
嵌入式系統(tǒng)通常沒有 BIOS(在 PC/AT 的意義上),并且通常無法奢侈地配備機器抽象,來把操作系統(tǒng)與低層器件和電源管理活動隔離開來。因此,在嵌入式 Linux 中,就像在其它針對電池供電應(yīng)用的操作系統(tǒng)一樣,電源管理活動需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核以及設(shè)備驅(qū)動程序做特殊干預(yù)。不過請注意一件重要事情,雖然動態(tài)電源管理的低層實現(xiàn)是駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核,但電源管理戰(zhàn)略及策略可以源自中間件和用戶應(yīng)用軟件代碼,實際也是如此。
接口和 API
理想狀況下,電源管理系統(tǒng)對于軟件堆棧的盡可能多的層次而言,幾乎是完全透明的。實際上,這正是 Transmeta 公司在其 Crusoe 架構(gòu)中遵循的路線,并且已經(jīng)成為現(xiàn)有的各種基于 BIOS 的電源管理方案的目標(biāo)。不過,擁有手持設(shè)備制造經(jīng)驗的開發(fā)人員將證明這一事實:整個系統(tǒng)的各個部分都需要某種程度的直接參與,如下所述:
內(nèi)核接口 在針對 Linux 的 DPM 架構(gòu)中,內(nèi)核中的 DPM 子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)的電源狀態(tài),并把 DPM 系統(tǒng)的各個電源得到管理的元件聯(lián)系在一起。DPM 子系統(tǒng)通過多個 API 直接與設(shè)備驅(qū)動程序通信,這些 API 把驅(qū)動程序從完全運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為各種電源得到管理的狀態(tài)。策略管理器(或應(yīng)用軟件自身)通過多個 API 向 DPM 子系統(tǒng)提供指導(dǎo),這些 API 定義各種策略,并在定義好的運行點之間轉(zhuǎn)移整個系統(tǒng)。
驅(qū)動程序接口 啟用了 DPM 的設(shè)備驅(qū)動程序比默認(rèn)驅(qū)動程序具有更多“狀態(tài)”:由外部事件通過各種狀態(tài)來驅(qū)動它們,或通過來自內(nèi)核 DPM 子系統(tǒng)的回調(diào)來驅(qū)動它們,從而反映并遵循運行策略。驅(qū)動程序 API 還允許驅(qū)動程序登記它們連接和管理的各個設(shè)備的基本運行特征,從而實現(xiàn)更精細(xì)的策略決策。
用戶程序 API 用戶程序(應(yīng)用軟件)分為三類:
·可感知電源管理的應(yīng)用軟件
·可感知電源管理的“包裝器”中的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件
·不帶電源管理的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件
可感知電源管理的應(yīng)用軟件能夠充分利用來自策略管理器的 API,從而建立各自的基礎(chǔ)約束,并強制電源管理策略發(fā)生變化,以便匹配各自的執(zhí)行要求。不直接帶有電源管理功能的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件可以“包裝”到代碼或補丁中,從而實現(xiàn)相當(dāng)?shù)男Ч?,它們還可以按照默認(rèn)行為來運行,這取決于更寬范圍的默認(rèn)策略管理。
嵌入式 Linux DPM 下的實際機制包括各種 API,比如 dpm_set_os()(內(nèi)核)、assert_constraint()、remove_constraint() 和 set_operating_state()(內(nèi)核和驅(qū)動程序)、set_policy() 和 set_task_state()(經(jīng)由系統(tǒng)調(diào)用的用戶級接口),以及 /proc 接口。
借助 DPM 實現(xiàn)節(jié)能
獨特的節(jié)能機會
DPM 的定義性特征是電源管理的迅速、高頻率性質(zhì)。傳統(tǒng)的臺式機/筆記本電腦范例的運行速度是以數(shù)百毫秒或數(shù)秒計,與此不同的是,DPM 使各設(shè)備的管理速度只受限于改變供電電壓 (T芕) 或 CPU 時鐘 (T頗) 所需的時間。
電源管理范圍
任何擁有筆記本電腦的人都會感覺到,他們的這種便攜式設(shè)備依靠電池運行時,與依靠交流電(主電源)運行對比,行為表現(xiàn)不一樣,屏幕變暗了,處理器時鐘變慢了,并且系統(tǒng)只要有可能,就會轉(zhuǎn)入待機或睡眠狀態(tài)。
另外,PDA 的擁有者們還發(fā)現(xiàn),在設(shè)備停用一段時間之后,屏幕會變暗,設(shè)備甚至進入睡眠狀態(tài),而手機用戶會注意到,撥號之后,背光和按鍵照明光熄滅了。在肉眼能夠察覺的這些行為的背后,是若干軟硬件技術(shù)和策略在起作用。
明顯的行為如全速運行、待機和睡眠等,充分利用了 CPU 本身的功能來降低工作電壓和/或時鐘頻率,從而省電。大多數(shù)設(shè)備用戶覺察不到的是,實際的電源管理還可以是漸增的,并且可以每秒發(fā)生好幾百次,而不是整個系統(tǒng)狀態(tài)大規(guī)模變化。
任何動態(tài)電源管理 (DPM) 戰(zhàn)略開始都是調(diào)節(jié)便攜式設(shè)備中存在的一個或多個處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率——高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86 的系統(tǒng)通常配備一塊 DSP 或智能基帶處理器。實際上,Intel XScale 和 TI OMAP 等處理器系列提供了內(nèi)核電壓和頻率的動態(tài)調(diào)節(jié)。不過,現(xiàn)代嵌入式處理器的用電效率非常高,以至于 CPU 并不總是主要的耗能器件,其它大能耗器件可能包括高性能存儲器、彩色顯示器和無線接口。因此,動態(tài)電源管理系統(tǒng)如果只關(guān)注對處理器內(nèi)核的電壓和頻率進行調(diào)節(jié)的話,那么它的用途也許很有限。
真正有用的電源管理方案將支持各種電壓和時鐘的快速調(diào)節(jié),既可以與 CPU 內(nèi)核的運行協(xié)同進行,也可以獨立進行。
架構(gòu)
兩種現(xiàn)有的電源管理方案是來自“白箱”PC 及筆記本電腦領(lǐng)域,第一種是傳統(tǒng)的“高級電源管理”(Advanced Power Management,簡稱 APM)方案,仍用于許多基于 Linux 的便攜式設(shè)備中,而基于微軟操作系統(tǒng)的筆記本電腦和手持設(shè)備已停止采用這種方案了,第二種是“高級配置和電源接口”(Advanced Configuration and Power Interface,簡稱 ACPI),這種現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)得到了英特爾、東芝等公司的支持。對于 PC、筆記本電腦、服務(wù)器、甚至面向通信設(shè)備的刀片服務(wù)器等“商業(yè)成品”(commercial off-the-shelf,簡稱 COTS)硬件,ACPI 等系統(tǒng)更受青睞,不過它們表現(xiàn)出對目前盛行的 x86/IA-32 BIOS 架構(gòu)的強烈依賴。
嵌入式系統(tǒng)通常沒有 BIOS(在 PC/AT 的意義上),并且通常無法奢侈地配備機器抽象,來把操作系統(tǒng)與低層器件和電源管理活動隔離開來。因此,在嵌入式 Linux 中,就像在其它針對電池供電應(yīng)用的操作系統(tǒng)一樣,電源管理活動需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核以及設(shè)備驅(qū)動程序做特殊干預(yù)。不過請注意一件重要事情,雖然動態(tài)電源管理的低層實現(xiàn)是駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核,但電源管理戰(zhàn)略及策略可以源自中間件和用戶應(yīng)用軟件代碼,實際也是如此。
接口和 API
理想狀況下,電源管理系統(tǒng)對于軟件堆棧的盡可能多的層次而言,幾乎是完全透明的。實際上,這正是 Transmeta 公司在其 Crusoe 架構(gòu)中遵循的路線,并且已經(jīng)成為現(xiàn)有的各種基于 BIOS 的電源管理方案的目標(biāo)。不過,擁有手持設(shè)備制造經(jīng)驗的開發(fā)人員將證明這一事實:整個系統(tǒng)的各個部分都需要某種程度的直接參與,如下所述:
內(nèi)核接口 在針對 Linux 的 DPM 架構(gòu)中,內(nèi)核中的 DPM 子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)的電源狀態(tài),并把 DPM 系統(tǒng)的各個電源得到管理的元件聯(lián)系在一起。DPM 子系統(tǒng)通過多個 API 直接與設(shè)備驅(qū)動程序通信,這些 API 把驅(qū)動程序從完全運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為各種電源得到管理的狀態(tài)。策略管理器(或應(yīng)用軟件自身)通過多個 API 向 DPM 子系統(tǒng)提供指導(dǎo),這些 API 定義各種策略,并在定義好的運行點之間轉(zhuǎn)移整個系統(tǒng)。
驅(qū)動程序接口 啟用了 DPM 的設(shè)備驅(qū)動程序比默認(rèn)驅(qū)動程序具有更多“狀態(tài)”:由外部事件通過各種狀態(tài)來驅(qū)動它們,或通過來自內(nèi)核 DPM 子系統(tǒng)的回調(diào)來驅(qū)動它們,從而反映并遵循運行策略。驅(qū)動程序 API 還允許驅(qū)動程序登記它們連接和管理的各個設(shè)備的基本運行特征,從而實現(xiàn)更精細(xì)的策略決策。
用戶程序 API 用戶程序(應(yīng)用軟件)分為三類:
·可感知電源管理的應(yīng)用軟件
·可感知電源管理的“包裝器”中的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件
·不帶電源管理的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件
可感知電源管理的應(yīng)用軟件能夠充分利用來自策略管理器的 API,從而建立各自的基礎(chǔ)約束,并強制電源管理策略發(fā)生變化,以便匹配各自的執(zhí)行要求。不直接帶有電源管理功能的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件可以“包裝”到代碼或補丁中,從而實現(xiàn)相當(dāng)?shù)男Ч?,它們還可以按照默認(rèn)行為來運行,這取決于更寬范圍的默認(rèn)策略管理。
嵌入式 Linux DPM 下的實際機制包括各種 API,比如 dpm_set_os()(內(nèi)核)、assert_constraint()、remove_constraint() 和 set_operating_state()(內(nèi)核和驅(qū)動程序)、set_policy() 和 set_task_state()(經(jīng)由系統(tǒng)調(diào)用的用戶級接口),以及 /proc 接口。
借助 DPM 實現(xiàn)節(jié)能
獨特的節(jié)能機會
DPM 的定義性特征是電源管理的迅速、高頻率性質(zhì)。傳統(tǒng)的臺式機/筆記本電腦范例的運行速度是以數(shù)百毫秒或數(shù)秒計,與此不同的是,DPM 使各設(shè)備的管理速度只受限于改變供電電壓 (T芕) 或 CPU 時鐘 (T頗) 所需的時間。
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