Linux电源管理--详解（合集）

鸣涧

Linux电源管理--详解（合集）
1， 介绍    万物运行遵循能量守恒定律，因此世界上并不存在永动机，一切运动都需要能量。人走路、思考需要能量，汽车在路上跑需要能量，电子产品运行需要能量。另外，能量并不是取之不尽用之不竭的。动物进化出了冬眠，为的就是在天寒地冻，缺乏食物的冬天能够安全地度过。汽车长时间停车，就要熄火，为的就是节省燃料。电子产品在不使用的时候，就要关机或待机，为的就是省电。    对于电子产品的功耗管理是一个系统工程，需要在各使用场景下，用尽可能少的资源、功耗，完成想要的功能，并且还要长续航、不发烫。对于像手机这样的电子产品，为了续航，从供能的角度需要加大电池的电量，但是电池的电量增加，又不想增加体积。因此人们通过各种办法提升能量密度，这样电池可以做的更小，电量更大。不过随着手机支持的屏幕更大，功能更丰富，需要DSP、CNN等算力单元做加速，这也需要更多的功耗。高功耗一方面减少了续航；另一方面，也会带来很大的热量，导致手机这样的一个结构、材质、体积的电子产品会发热严重，甚至烫手。    为了解决不必要功耗的消耗，linux提供了多种电源管理方式。为了解决系统不工作时的功耗消耗，linux提供了休眠（suspend to ram or disk）、关机（power off）、复位（reboot）。为了解决运行时不必要的功耗消耗，linux提供了runtime pm、cpu/device dvfs、cpu hotplug、cpu idle、clock gate、power gate、reset等电源管理的机制。为了解决运行时电源管理对性能的影响，linux提供了pm qos的功能，用于平衡性能与功耗，这样既能降低功耗，又不影响性能。2， 框架

    功耗管理不仅是软件的逻辑，还需要硬件功能的支撑。硬件设计决定了功耗的下限，热设计决定了功耗的上限，而软件就是通过一些机制及策略将功耗尽可能逼近硬件功耗下限。    芯片上支持的低功耗机制：power domain、reset、clock、系统休眠/唤醒、cpu的低功耗、ddr自刷新等。系统一般是通过pmic芯片控制供应给各个器件电压、电流大小及有无。外设也支持低功耗模式，或者它们的供电能被开、关。    芯片、电源芯片、系统外设之上便是各个硬件低功耗功能对应的管理框架：

• Clock framework：时钟管理框架（可参考文章《一文搞懂linux clock子系统 (qq.com)》）统一管理系统的时钟资源，这些时钟资源包括pll/mux/div/gate等，对时钟资源操作做封装，维护成一个时钟树，抽象频率获取、频率设置、时钟开关等核心逻辑，为其他驱动子模块提供频率调整、频率查询、使能、失能等接口；
• Regulator framework：电压管理框架（可参考文章《一文搞懂linux regulator子系统 (qq.com)》）统一管理系统的供电资源。这些供电资源包括pmic、corebuck等，对供电资源操作做封装，一般通过iic、spi、gpio、pwm等控制供电资源的电压、电流调整或者开/关，为其他驱动或者框架提供电压、电流调整、开关等接口；
• Power domain framework：power domain管理框架（可参考文章《一文搞懂linux power domain framework (qq.com)》）统一管理芯片的power domain。对芯片内的power domain开关操作做封装，抽象核心的开关处理逻辑，为runtime pm、系统休眠唤醒提供开关等接口；
• Reset framework：reset管理框架（可参考文章《一文搞懂linux reset framework (qq.com)》）统一管理芯片的复位。对芯片内的reset、dereset寄存器操作做封装。抽象核心的reset/dereset处理逻辑，为其他驱动提供统一的reset/dereset等接口；
• Opp framework：opp（Operating Performance Point）管理框架（可参考文章《一文搞懂linux device dvfs》）统一管理使CPU或者Devices正常工作的电压和频率组合。内核提供这个layer，是为了给出一些相对固定的电压和频率组合，从而使调频调压变得更为简单，opp不单独讲解，会在《一文搞懂linux device dvfs》有所体现；
• Runtime pm：runtime pm管理框架（可参考文章《一文搞懂runtime pm (qq.com)》）统一管理片内设备及相应power domain硬件操作。是在power domain提供的开关接口及设备运行时对应的时钟、复位、电的管理基础之上做的封装，设备会在dts指定具体的power domain，设备驱动通过在runtime_suspend、runtime_resume实现对时钟、复位、电的管理，然后注册到runtime pm框架。runtime pm为设备提供了pm_runtime_get_xxx/pm_runtime_put_xxx类接口，在使用设备前，先调用get接口，让设备退出低功耗，在使用完设备后调用put接口，让设备进入低功耗，当power domain下所有的设备都进低功耗后，就可以关闭power domain，当power domain下有一个设备需要工作时，就要打开power domain；
• Device dvfs：device dvfs管理框架（可参考文章《一文搞懂linux device dvfs》）统一管理设备的频率及电压调整，利用opp framework提供的接口，根据设备驱动给定的频率进行调频调压，跟cpu dvfs很类似；
• Sleep：系统休眠唤醒（可参考文章《一文搞懂Linux系统休眠唤醒 (qq.com)》）能在系统不被使用的时候，进入一个功耗很低的状态，芯片功耗会很低，ddr进入自刷新，并且在系统被使用的时候，能够快速地恢复。休眠唤醒的过程中会调用device提供的system suspend、resume函数，调用power domain提供的suspend、resume函数，会关闭、打开cpuidle/cpuhotplug功能；
• Reboot/poweroff：系统重启/关机，重启和关机两个功能关系很紧密，可以简单地理解重启就是先关机再开机。系统重启能在系统出现异常后，或者在系统升级后，进行系统的复位。系统关机一般是用户不再使用机器，或者系统检测到用户不再使用或者可预见的时间不再使用，将系统断电的操作。系统重启和系统关机都是由reboot系统调用实现的，只是相应的参数不一。Service发起重启和关机后，事件会给到init进程来处理。Init会保存一些数据，停止所有srvice，杀死普通进程，最后调用系统调用reboot进行重启或者关机；
• Cpu idle：cpu idle管理框架（可参考文章《一文搞懂cpu idle (qq.com)》）会根据当前一段时间cpu的空闲状态及接下来空闲时间的预估，选择进入相应idle等级，不同的等级功耗收益不同，进出时间也不一样，一般功耗收益低，但对应着比较少的退出时间；
• Cpu dvfs：cpu dvfs管理框架（可参考文章《一文搞懂linux cpu dvfs (qq.com)》）提供了不同governor，用来控制cpu的频率、电压调整，这些governor有完全把cpu dvfs交给用户service的，用户service根据场景的不同进行相应的频率、电压调整，也有根据负载进行动态频率、电压调整的；
• Cpu hotplug：cpu hotplug管理框架（可参考文章《一文搞懂Linux cpu hotplug (qq.com)》）提供了一种机制给到service：当前的空闲cpu loading比较多时，会由service直接拔掉一些cpu，当cpu loading的需求增加时，再由service将cpu插上；
• Pm qos：pm qos（quality of service）服务质量（可参考文章《一文搞懂linux PM QOS (qq.com)》）是解决低功耗可能会降低性能的问题，它向驱动或者上层service提供了一套对性能约束要求的接口，在cpu dvfs、cpu idle等低功耗管理的时候，会检查性能的约束需求，当发现低功耗动作会影响到性能的时候，便不会进行该次的低功耗操作；
  

    上层service会有专门的功耗管理应用，用来协调其他service进入休眠、唤醒，在进入不同场景的时候告知各service做相应的功耗策略。3， 内核中各低功耗管理模块框架3.1 clock framework    详见文章《一文搞懂linux clock子系统 (qq.com)》 3.2 Regulator framework    详见文章《一文搞懂linux regulator子系统 (qq.com)》 3.3 Power domain framework    详见文章《一文搞懂linux power domain framework (qq.com)》 3.4 Reset framework    详见文章《一文搞懂linux reset framework (qq.com)》 3.5 Opp framework   opp framework比较简单，主要提供了各种opp操作的接口，会在《一文搞懂linux device dvfs》有所体现。3.6 Runtime pm    详见文章《一文搞懂runtime pm (qq.com)》 3.7 Device dvfs    详见文章《一文搞懂linux device dvfs》3.8 系统休眠唤醒    详见文章《一文搞懂Linux系统休眠唤醒 (qq.com)》 3.9 Cpu idle    详见文章《一文搞懂cpu idle (qq.com)》 3.10 Cpu dvfs    详见文章《一文搞懂linux cpu dvfs (qq.com)》 3.11 Cpu hotplug    详见文章《一文搞懂Linux cpu hotplug (qq.com)》 3.12 Pm qos    详见文章《一文搞懂linux PM QOS (qq.com)》