Linux电源管理(1)_整体架构

wowo · 2014年5月7日 · 电源管理子系统 · 阅读 98233 · 2014年5月存档

1. 前言

在这个世界中，任何系统的运转都需要能量。如树木依靠光能生长，如马儿依靠食物奔跑，如计算机系统依靠电能运行。而能量的获取是有成本的，因此如果能在保证系统运转的基础上，尽量节省对能量的消耗，就会大大提升该系统的生存竞争力。这方面，大自然已经做的很好了，如植物的落叶，如动物的冬眠，等等。而在计算机的世界里（这里以运行Linux OS的嵌入式系统为例），称作电源管理（Power Management）。

通俗的讲，电源管理就是：“想让马儿跑，不想马吃草”。不过，从能量守恒的角度，想让马儿跑多快、跑多久，就一定要让它吃相应数量的草。那么我们就退而求其次：“只在需要马儿跑时，才让它吃草”。这就是电源管理的核心思想。那方法呢？可以这样：

方法1：不需要马儿跑时，把它杀掉，这样就不吃草了。需要马儿跑时，再养一匹。

在现实世界中，除了傻瓜，应该没人使用这种方法。因为重新养一匹马需要时间—-我哪里等得及，需要草—-有可能比养一匹闲马需要的更多。

方法2：不需要马儿跑时，让它睡觉，不能睁眼，不能动，不能叫。

先不讲马儿是否愿意一直睡觉，这种方法只能减少马儿吃草的数量，因为它的心脏还在跳动、血液还在流通，这些也消耗能量。不过还好，需要马儿跑时，应该不需要等太久了。

方法3：不是说心脏跳动、血液流通也消耗能量吗？那把这些也停下来好了，能省多少是多少嘛。

确实是好方法，不多得先去问问兽医，能不能搞定。不过以现在的医学水平，估计实现不了啊。

在计算机世界中，上面的方法是再平常不过的了，而且控制的远比这些精细。因为计算机是人类设计出来的，而马儿却是经上帝之手。不过通过马儿的例子，我们可以总结出电源管理的基本行为：

a, 实时的关闭暂时不使用的部分（可称作“工作状态到非工作状态的转移”）。例如手机在口袋时，屏幕没必要亮。

b, 当需要重新使用那些已关闭部分时（可称作“非工作状态到工作状态的转移”），不能有太长时间的等待，且转移过程不能消耗太多的能量。上面的方法1就是一个反面教材，但在计算机的世界里，情况会好很多。

2. Linux电源管理的组成

电源管理（Power Management）在Linux Kernel中，是一个比较庞大的子系统，涉及到供电（Power Supply）、充电（Charger）、时钟（Clock）、频率（Frequency）、电压（Voltage）、睡眠/唤醒（Suspend/Resume）等方方面面（如下图），蜗蜗会在Linux电源管理系列文章中，对它们一一讲述。

注1：该图片只是一个示意图，并没有划分软件层次，因此模块之间的关系不一定是真正的关系。

在对图片中的这些组件（也可以称作Framework）进行详细描述之前，先在这里了解一下基本概念。

注2：Framework是一个中间层的软件，提供软件开发的框架。其目有三：一是屏蔽具体的实现细节，固定对上的接口，这样可以方便上层软件的开发和维护；二是尽可能抽象公共逻辑，并在Framework内实现，以提高重用性、减少开发量；三是向下层提供一系列的回调函数（callback function），下层软件可能面对差别较大的现实，但只要填充这些回调函数，即可完成所有逻辑，减小了开发的难度。

Power Supply，是一个供用户空间程序监控系统的供电状态（电池供电、USB供电、AC供电等等）的class。通俗的讲，它是一个Battery&Charger驱动的Framework
Clock Framework，Clock驱动的Framework，用于统一管理系统的时钟资源
Regulator Framework，Voltage/Current Regulator驱动的Framework。该驱动用于调节CPU等模块的电压和电流值
Dynamic Tick/Clock Event，在传统的Linux Kernel中，系统Tick是固定周期（如10ms）的，因此每隔一个Tick，就会产生一个Timer中断。这会唤醒处于Idle或者Sleep状态的CPU，而很多时候这种唤醒是没有意义的。因此新的Kernel就提出了Dynamic Tick的概念，Tick不再是周期性的，而是根据系统中定时器的情况，不规律的产生，这样可以减少很多无用的Timer中断
CPU Idle，用于控制CPU Idle状态的Framework
Generic PM，传统意义上的Power Management，如Power Off、Suspend to RAM、Suspend to Disk、Hibernate等
Runtime PM and Wakelock，运行时的Power Management，不再需要用户程序的干涉，由Kernel统一调度，实时的关闭或打开设备，以便在使用性能和省电性能之间找到最佳的平衡
注3：Runtime PM是Linux Kernel亲生的运行时电源管理机制，Wakelock是由Android提出的机制。这两种机制的目的是一样的，因此只需要支持一种即可。另外，由于Wakelock机制路子太野了，饱受Linux社区的鄙视，因此我们不会对该机制进行太多的描述。
CPU Freq/Device Freq，用于实现CPU以及Device频率调整的Framework
OPP（Operating Performance Point），是指可以使SOCs或者Devices正常工作的电压和频率组合。内核提供这一个Layer，是为了在众多的电压和频率组合中，筛选出一些相对固定的组合，从而使事情变得更为简单一些
PM QOS，所谓的PM QOS，是指系统在指定的运行状态下（不同电压、频率，不同模式之间切换，等等）的工作质量，包括latency、timeout、throughput三个参数，单位分别为us、us和kb/s。通过QOS参数，可以分析、改善系统的性能

3. Kernel中电源管理相关的Source code汇整

在蜗蜗使用的Linux 3.10.29版本的内核中，电源管理有关的Source code分别位于：

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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标签：KernelmanagementPMPowerArchitecture

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评论（48 条，只读存档）

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RominSoft博客 主页 2014-05-09
很高深，已经完全看不懂了
- 烂番茄 主页 2014-05-09
  @RominSoft博客：一看就知道是资深人士！
  - 蜗蜗 2014-05-10
    @烂番茄：哪里哪里，多谢谬奖。
- 蜗蜗 2014-05-10
  @RominSoft博客：不高深，行业不同而已，呵呵
老三 2014-05-12
除了专业部分，其他的通俗易懂，就当是专业外人士的导航好了，理念是一样的，呵呵
爱宝贝 主页 2014-05-13
高深啊。表示完全看不懂啊。哈
Daniel 2014-05-15
你有没有写书呢？感觉你写东西有一个linux内核的整体框架在那里，写出来的比较容易让人有一个整体认识，然后再各个部分的去讲，不过如果你写书的话，我想就能更好的弄清楚内核的框架以及细节实现部分的内容了，你出书来吗？如果出了可以告诉我名字，看你文章思路很清晰，非常感谢，大牛~~~
- 蜗蜗 2014-05-15
  @Daniel：非常感谢您的阅读。写的东西能够对除了我之外的其他人有些许的帮助，就是对自己的最大鼓舞。当前暂时只是个人博客，因为没能达到财富自由，就不能全职放在这上面。毕竟在当前的大环境，靠它赚钱有点难。不过确实打算将这些文章总结成书，这是我的一个五年计划。但您也知道，由于业余时间较少，可能比较慢，怕您等不及。
  - Daniel 2014-05-16
    @蜗蜗：那我就经常来您这做客，看你写的文章，没看完一部分内容都有不少收获！最近我对device tree有点迷惑，3.8版本内核往后，开始用这种方式吧？对3.8之前版本和之后版本的驱动开发有点迷惑，到底主要的不同在哪，蜗蜗有时间可以出一个系列，希望你考虑下这个建议吧，这部分的资料非常少。
    - 蜗蜗 2014-05-16
      @Daniel：谢谢您的建议，我们正在写，由于涉及很多背景知识，就稍微有点慢。另外，非常感谢您能来小站，技术问题大家可以多多交流。
      - Daniel 2014-05-16
        @蜗蜗：非常非常好，我非常想了解这方面的内容，没想到回复的这么快哈~~~~~~~~支持......
        蜗蜗 2014-05-16
        @Daniel：呵呵，因为这会正在写呢。你可以注册个账号，或者定个RSS之类的，这样就可以及时看到我们的更新。再次表示感谢。
        Daniel 2014-05-19
        @蜗蜗：订阅好像有问题，点击订阅，出来的是源代码
    - 蜗蜗 2014-05-19
      @Daniel：一般需要用一个订阅工具，例如我现在使用的FoxMail邮箱，或者以前的Google Reader，然后在添加订阅时，输入RSS的地址，如“/index.xml”，就可以了。
      - Daniel 2015-02-12
        @蜗蜗：蜗蜗，我在你这个网站注册的用户名就是邮箱名字，但是密码忘了怎么办？你能帮忙把密码发我邮箱吗？或者告诉我怎么修改密码啊。还有你有讨论的QQ群吗？
        wowo 2015-02-12
        @Daniel：至于讨论用的QQ群，我还是想坚持我的想法：蜗窝希望所有的讨论都能保留下来，以便后续自己和他人查看。所以在博客上比较好（速度确实是有些慢，但是可以多点时间思考）。不过很多人都建议建立QQ群，我不确定这个想法还能坚持多久啊，呵呵~~
        travelhop 2015-02-15
        @wowo：QQ群里面水量太大，最后的结果是少数话痨成为主宰。blog的方式的确很慢，但是谈论技术问题，一定也是很漫长和很长篇的内容，所以不以QQ群为主要的平台是合理的。技术的交流，应该是经过深思熟虑的，技术用语的选择，也应该是有所取舍的，一个表述，一个判断，都应该尽量忠实于技术本身，而不是变成口水话。想在QQ里聊天的人，多半只是想快点得到技术指点，或者无聊的时候有人解闷罢了……
      - Daniel Shieh 2015-02-12
        @蜗蜗：不用麻烦楼主了，我把密码试出来了，呵呵
        wowo 2015-02-12
        @Daniel Shieh：抱歉，看到的有点晚了。后台看不到你的密码，但是可以给你重置。试出来就好了，呵呵。
- linuxer 2014-05-17
  @Daniel：写书是这样的过程，你自己是一个装满水的水库，但是准备了一桶水，给读者倒了一杯。但现在，我们只是建好了水库，还在蓄水阶段......
  - yinyin 2015-03-17
    @linuxer：精辟
Daniel 2014-05-15
另外，你这网站只是个人博客的形式？你是工作还是自己做公司呢？
海 2014-05-30
wakelock已经被wakeup source替代了
- 蜗蜗 2014-05-30
  @海：多谢提醒，我会再了解一下Android的发展现状，然后更新这里的表述。谢谢。
Daniel Shieh 2015-02-28
现在拿到一个新的板子，想要实现电源的power on和off，以及一级，二级低功耗，deep sleep，总体上说应该从哪里下手呢？
- Daniel Shieh 2015-02-28
  @Daniel Shieh：希望楼主能抽空指点一下，不知道这些点从哪下手。
- wowo 2015-03-01
  @Daniel Shieh：这位帅哥一口气问了很多问题啊，我只能这样建议：把事情拆细，一个一个的去做。比如说power on，比如说power off，等等。我可以协助你把每一件事情的过程理一下（其实我在文章中都涉及到了），至于其它的，除非你能提出更细致的问题，我也不知道怎么帮你啊。呵呵，见谅~~~
qkhhyga 2015-03-11
＠wowo：坐等cpufreq动态调频的分析介绍。。。
- wowo 2015-03-13
  @qkhhyga：时机还未到啊，最低要等到regulator的介绍完，才能开始cpufreq。
zxqhbd 2015-09-10
很好的讲解，不小心进入这个博客就被吸引了，怎么注册不了啊
- wowo 2015-09-10
  @zxqhbd：抱歉，网站php代码有问题，注册用户超过255就注册不了了，我还没来得及研究一下怎么修复~~
  - zxqhbd 2015-09-10
    @wowo：期待加入！
xiaogaod325 2015-09-18
有点意思
franc 2016-05-04
无法登录
- wowo 2016-05-04
  @franc：博客和论坛的账号不能通用，另外建议大家不要登录博客了（只有发文章的时候才需要）。
vv小蛋 2016-07-14
感觉到了一股禅意，或许做任何事情都是在修道吧
- wowo 2016-07-14
  @vv小蛋：哈哈，禅意，听着不错。修道改为修行就更好了。
wolf 2016-07-18
LINUX 系统息屏后长时间不操作，屏幕点不亮，可是其他的一切正常运行，这个是怎么回事呢，我看到你回复别人的帖子是要重新设置背光，可是重新设置背光也不管用！怎么回事呢？谢谢 http://bbs.csdn.net/topics/370258429 这个帖子的问题和我的很像，有人说除了设置背光还有别的设置，但是具体的没有给出，怎么设置屏幕的电源呢
- wowo 2016-07-18
  @wolf：可以按照如下思路去查： 1。确认是背光没开，还是lcd没开，还是没有应用送显示数据。 2。如果是背光，检查power、pwm等。 3。如果lcd没开，检查对应的驱动。 4。等等
周末花裤衩 2017-09-21
试试还能留言吗
GrayMonkey 2017-11-12
膜拜大佬，早找到你的文章就好了,Android开发一枚，一直对底层的电源管理存有疑问
吴兵主页 2018-02-01
"Runtime PM是Linux Kernel亲生的运行时电源管理机制，Wakelock是由Android提出的机制。这两种机制的目的是一样的，因此只需要支持一种即可。另外，由于Wakelock机制路子太野了，饱受Linux社区的鄙视，因此我们不会对该机制进行太多的描述。"是不是android 用户层用Wakelock机制，而内核层kernel用Runtime PM机制啊？
- 吴兵主页 2019-10-28
  @吴兵：wowo, 有空讲一下这个历史故事吧
Nicole 2018-07-18
正在学习。。。
wall.e 2019-10-11
写的挺好，请问是您一个人还是一个团队
estrib 2020-04-17
看到这个系列的文章终于明白了一些，感谢
lumotuwe 2022-03-26
http://events17.linuxfoundation.org/sites/events/files/slides/Intro_Kernel_PM.pdf Introduction to Kernel Power Management 这个比较系统
baron 主页 2023-09-25
还能留言