Linux內核電源管理知識入門

1. 電源狀態介紹

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進行電源管理的原則就是不能“占著茅坑不拉屎”，或者“用力過猛”。我們做一件事情的時候，生手往往使用蠻力，一會就累趴下了，老油條又不用力，光占著位置不出活，我們需要的是愿意干活的熟練工，不該用力的時候不用力，該用力的時候用大力，這樣才能上工時間長，效益高。就像上面圖中的電源狀態名字，該偷懶的時候就偷懶磨洋工（Power Save），該甩開膀子加油干的時候就不保留（Power on），該小睡（Standly）或者大睡（Sleep）就去睡覺。 ????嵌入式設備運行的時候也是同樣的道理，CPU等各種元器件并不是每時每刻都有活干，比如我們的手機，打游戲（超級大活）的時候就費電，網絡視頻電話（大活）也費電，看個電子書（小活）能省電一點，關閉屏幕放口袋（沒活瞇一會）里面就更省電了。

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各種電源狀態也是可以相互轉化的，比如掏出手機，按鍵解鎖就從節能模式到正常模式了，或者手機長時間不用就自動進入休眠模式了。上圖作為一個例子，在我們自己設計的系統里面可以定義電源模式和編寫轉換方式。這里的電源模式有兩種類型一種是系統電源狀態，例如系統關機、重啟休眠等，一種是每個外設的電源狀態，例如網口、WiFi、I2C控制器等的關閉打開休眠等。 ?

2. Linux 電源管理的組成



Linux內核電源管理的整體架構組成，大體可以歸納為如下幾類：

CPU在運行時根據系統負載進行動態電壓和頻率變換的CPUFreq。

CPU在系統空閑時根據空閑的情況進行低功耗模式的CPUIdle。

多核系統下CPU的熱插拔支持。

系統和設備針對延遲的特別需求而提出申請的PM QoS，它會作用于CPUIdle的具體策略。

設備驅動針對系統掛起到RAM/硬盤的一系列入口函數。

SoC進入掛起狀態、SDRAM自刷新的入口。

設備的運行時動態電源管理，根據使用情況動態開關設備。

底層的時鐘、穩壓器、頻率/電壓表（OPP模塊完成）支撐，各驅動子系統都可能用到。

下面就Linux電源管理相關的一些名詞解釋，你也可以用ChatGPT來尋找解釋，很多時候是我們不知道搜什么，就是你不知道你自己不知道，這里告訴你搜什么。

Linux電源管理框架

對于Linux中的電源管理框架，首先就是分層和抽象，可以看到有三層：

APILayer，用于向用戶空間提供接口，屏蔽底層內核和硬件具體的實現細節，這樣方便上層軟件的開發和維護。例如關機和重啟的接口形式是系統調用，Hibernate和Suspend的接口形式是sysfs。

PMCore，是盡可能的抽象公共邏輯，并在Framework內實現，以提高重用性、減少開發量，位于kernel/power/目錄下，主要處理和硬件無關的核心邏輯。

PM Driver，分為兩個部分，一是體系結構無關的Driver，提供Driver框架（Framework），向下層提供一系列的回調函數（callback function），下層軟件可能面對差別較大的現實，但只要填充這些回調函數，即可完成所有邏輯，減小了開發的難度。另一部分是具體的體系結構相關的Driver，這也是電源管理驅動開發需要涉及到的內容（圖中紅色邊框的模塊）。

Linux中電源管理有關的源碼分別位于：

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kernel/power/ *
drivers/power/
drivers/base/power/*
drivers/cpuidle/*
drivers/cpufreq/*
drivers/devfreq/*
include/linux/power_supply.h
include/linux/cpuidle.h
include/linux/cpufreq.h
include/linux/cpu_pm.h
include/linux/device.h
include/linux/pm.h
include/linux/pm domain.h
include/linux/pm runtime.h
include/linux/pm wakeup.h
include/linux/suspend.h
Documentation/power/*.txt

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靜態功耗又叫做泄漏功耗，是指電路處于等待或不激活狀態時泄漏電流所產生的功耗，跟硬件相關，系統都不運行了軟件就不用關系了。

動態功耗就是在系統運行時的功耗，直接看公式：

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?式中C 代表負載電容的容值，V 是工作電壓，A 是當前頻率下電路的平均翻轉率，f 為工作頻率，IShort 和ILeakage 分別為短路電流和漏電流。從公式中可知，C、V 、A、f 決定了整個CMOS 電路的功耗：CMOS芯片的能量消耗正比于電壓的平方和時鐘頻率。對于硬件器件的功耗控制技術，在軟硬件上萬變不離其宗，基本就是通過控制電壓和頻率進行的。 ???

?對于電壓的提供，引入電壓域和電源域的概念，梳理出來相同電壓需求的器件可以加入一個電壓域。梳理出來一個功能模塊的電壓供應放到一塊是一個電源域?？梢?strong>使用PMIC進行供電。另外引入電源軌的概念，涉及到上下電的順序，因為功能硬件可能有依賴，需要設計先后順序。 ??

??對于頻率和復位，可以使用PLL產生clock，用CRU對器件的頻率和復位進行管理。需要設計PLL對應的時鐘樹，復位也需要設計某個復位信號的作用范圍。復位還牽扯watchdog的軟硬件喂狗失敗導致的復位。

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對于電源域的控制，可以使用一個獨立的MCU運行SCP固件，上面放PPU對電壓和頻率一塊控制，如上圖。另一種方案：也可以使用一個PMU硬件對電源域進行管理，PMU的控制可以放到BL31的安全世界。PMU和SCP的區別就是SCP是一個OS有獨立的軟硬件可以有決策能力，PMU只是一個硬件執行者，一般依附于A核Linux軟件進行決策。 ???

還有一個clock gating的概念，就是把clock頻率降為0，但是電壓還有，從而來降低功耗，這個可以在CRU或者PPU中，某些器件不使用需要關閉降低功耗的時候不下電，只進行clock gating。??

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審核編輯：劉清