摘  要：功耗是嵌入式設(shè)備的一個十分重要的性能指標(biāo)。在硬件設(shè)計和選型之后，功耗水平在極大程度上取決于軟件的設(shè)計。鑒于lioux在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛，提出在嵌入式linux下軟件編寫的幾種策略。通過這些軟件編寫方式，能有效降低zui終產(chǎn)品的功耗水平。
關(guān)鍵詞：嵌入式linux功耗策略

引 言
    由于linux系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)需要的很多特色，如適應(yīng)于多種cpu和多種硬件平臺、性能穩(wěn)定、可裁剪性很好、源碼開放、開發(fā)和使用簡單等。目前，基于linux應(yīng)用的嵌入式設(shè)備日益增多，linux正在嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

    對于嵌入式設(shè)備尤其是移動設(shè)備來說，功耗是系統(tǒng)的重要指標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計的重要目標(biāo)之一就是要盡可能地降低功耗。目前，對功耗的研究主要集中在硬件解決方案上，而軟件研究方面很少。實踐證明：在硬件設(shè)計和選型確定后，功耗的高低與軟件設(shè)計有很大的關(guān)聯(lián)性。軟件設(shè)計和編程質(zhì)量的好壞，極大地影響著zui終產(chǎn)品的功耗水平。據(jù)此，為降低功耗，提出在嵌入式linux下軟件編程的幾種策略。

1 問題分析
    因為zui終耗能的是硬件，所以在考慮采用軟件方法降低功耗的時候，要充分考慮硬件的功能和性能，即在保障系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上怎樣組織硬件運作而使功耗降低。全速執(zhí)行、待機和睡眠等行為都是利用cpu的固有能力，透過降低工作電壓或頻率來節(jié)省功耗。此外，在大多數(shù)用戶察覺不到的情況下，實際的電源管理能夠根據(jù)負載狀況逐漸改變系統(tǒng)的狀態(tài)，有時這種情況在l s之內(nèi)可以產(chǎn)生數(shù)百次。

    另外，在編寫程序時可能會遇到這樣的情況，如記錄狀態(tài)寄存器內(nèi)容，并等待設(shè)定標(biāo)記出現(xiàn)；檢查串口的fifo狀態(tài)標(biāo)記，看是否收到數(shù)據(jù)；監(jiān)測一個雙端口存儲器，以確定系統(tǒng)中是否有另外cpu寫入了一個變量，以便控制共享資源。從表面上看，這樣的代碼沒有什么問題，但在每個時鐘周期里不斷記錄寄存器狀態(tài)將無法有效延長設(shè)備的電池壽命。

    基于這些問題，下面提出幾種策略，以有效降低zui終產(chǎn)品的功耗水平。

2 利用linux內(nèi)核的電源管理
    電源管理策略的基礎(chǔ)是調(diào)整處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率。不過，現(xiàn)代的嵌入式cpu具有非常高的電源效率，以至于cpu并不總是zui主要的耗能組件。其他高耗能的組件包括高性能內(nèi)存、顯示屏和射頻接口等，因此，如果電源管理系統(tǒng)只能調(diào)節(jié)cpu內(nèi)核的電壓和頻率，那么它的用途將有限。一個真正有效的電源管理方案應(yīng)該可以采用與cpu內(nèi)核執(zhí)行相協(xié)調(diào)或相獨立的方式，支持對一系列電壓和頻率的快速調(diào)節(jié)。

    linux支持兩種電源管理標(biāo)準：apm（advancedpower managememt）和acpi（advanced configtlrationand p0wer interface）。apm是傳統(tǒng)的電源管理方案，目前仍然使用在許多基于linus便攜式設(shè)備中；而acpi則提供了更為靈活的電腦和設(shè)備管理接口。這兩個標(biāo)準不能同時運行。缺省情況下，linux運行acpi。apm可以使機器處于suspend（懸掛）或standby（待機）狀態(tài)，以及檢查電池容量；而acpi還可以使外設(shè)（如顯示器、pci）單獨斷電，在節(jié)省電能方面有更多的控制。為了讓電源管理功能生效，需要在linux內(nèi)核打開它，并且在linux里加載必需的應(yīng)用軟件。

    電源管理活動需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動程序進行特殊的干預(yù)。在嵌入式linux中，雖然低層電源管理駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，但電源管理策略和機制來源于中介軟件和用戶應(yīng)用程序代碼，如圖l所示。

     linux內(nèi)核中電源管理機制負責(zé)維持整個系統(tǒng)的電源狀態(tài)。它可以看成是為驅(qū)動程序、中介軟件和應(yīng)用程序提供服務(wù)的元素。

    通過在驅(qū)動程序中實現(xiàn)電源管理接口，可以讓驅(qū)動程序密切監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。它們在外部事件的驅(qū)動下，透過設(shè)定不同的狀態(tài)反映設(shè)備的工作情況。為了實現(xiàn)設(shè)備電源管理接口，需要實現(xiàn)以下操作：
    ①使用pm_register對設(shè)備的每個實例（instance）進行注冊；
    ②在對硬件進行操作之前調(diào)用pm_access（這樣可保證設(shè)備已被喚醒，并處于ready狀態(tài)）；
    ③用戶自己的pnl_callback函數(shù)在系統(tǒng)進入suspend狀態(tài)，或者從suspend狀態(tài)恢復(fù)的時候會被調(diào)用；
    ④當(dāng)設(shè)備不使用時調(diào)用pm_dev_idle函數(shù)（這個操作是可選的，以增強設(shè)備idle狀態(tài)的監(jiān)測能力）；
    ⑤當(dāng)被unioad的時候，使用pm_unreggister取消設(shè)備的注冊。

    中介程序允許用戶預(yù)先定義某些策略，然后跟蹤電源狀態(tài)，執(zhí)行特定的操作。

    在應(yīng)用程序中，利用中介程序提供的api，設(shè)立其基本的約束條件，強迫電源管理機制產(chǎn)生與其執(zhí)行需求相匹配的變化。linix電源管理的實現(xiàn)機制包括以下api，例如dpm_set_os（）（內(nèi)核）、assert_constraint（）、remove_constraint（）和set_operatink—state（）（內(nèi)核和驅(qū)動程序）、set_policy（）和set_task_state（）（經(jīng)系統(tǒng)的用戶級調(diào)用）以及／proc接口。

3 在空閑模式下等待事件
    很多嵌入式cpu都具有能降低功耗的電源工作模式，zui常用的是空閑模式。此時cpu內(nèi)核指令執(zhí)行部分關(guān)閉，而所有外設(shè)和中斷信號仍處于工作狀態(tài)。由于空閑模式比cpu執(zhí)行指令時的功耗要小得多，因而可以在任何時候，只要linux檢查到所有線程都處于阻塞狀態(tài)（如等待中斷、事件或定時時間），它都可以將cpu置于空閑模式。任何中斷（如觸摸屏事件、按下按鍵事件等）都能把cpu從空閑模式中喚醒，然后繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼。如果事件不能直接連接到外部中斷，也可以用一個系統(tǒng)定時器定期喚醒cpu。例如在等待一個事件并且知道只要事件發(fā)生后在10 ms內(nèi)能檢測到，那么可以啟動lo ms定時器，并把cpu置于空閑模式。每次處理定時中斷時都要檢查事件狀態(tài)，如果狀態(tài)沒有變化，就立刻回到空閑模式。

4 減少事件
    通常cpu的定時中斷間隔為1 ms，linux會頻繁使cpu置于空閑模式，并一直維持到被中斷喚醒。在這種情況下，zui有可能喚醒cpu中斷的是定時器中斷本身。即使所有其他線程被阻塞，在其他中斷、內(nèi)部事件及長時間延遲之前，定時器中斷也會以每秒l 00（）次的頻率把cpu從空閑模式中喚醒，以運行調(diào)度程序。就算調(diào)度程序確定所有線路都被阻塞，并很快將cpu回復(fù)到空閑模式，這樣頻繁操作也會浪費大量電源。因此，應(yīng)盡可能長時間地將cpu置于空閑模式，而減少事件是解決這個問題的有效途徑。通過分析代碼和系統(tǒng)要求，以決定是否能改變處理中斷的方式實現(xiàn)。例如，可以在進入空閑模式前關(guān)閉時隙中斷信號，只有再次出現(xiàn)中斷信號時才被喚醒。不過，這種做法通常不太合適。盡管多數(shù)阻塞的線程可以直接或間接等待外部中斷，有些還依賴于定時中斷，如一個驅(qū)動器會在等待外設(shè)時睡眠500 ms，這時空閑模式下如果*關(guān)閉系統(tǒng)定時器，可能意味著線路不能按時恢復(fù)工作。

    linux能為調(diào)度程序進行可變超時設(shè)定。lintux知道每個線程無法確定等待的是外部還是內(nèi)部事件，或者計劃在某特定時間再次運行。linux可算出*個線程預(yù)定何時運行，并相應(yīng)地在cpu置于空閑模式之前設(shè)定定時器工作?？勺兂瑫r設(shè)定不會對調(diào)度程序造成很大的負擔(dān)，但卻能節(jié)省電源和處理時間。

    可變計劃超時限定只是減少事件的一種方法，存儲器直接存取（dma）也可讓cpu長時間處于空閑模式，即使數(shù)據(jù)正在發(fā)送至外設(shè)或從外設(shè)收取。所以只要可能，都應(yīng)在外圍驅(qū)動器中使用dma，省電效果相當(dāng)令人滿意。

    例如英特爾公司strongarm cpu串口接收fif0時，大約每收到8個字節(jié)發(fā)生1次中斷，在115 2oo bps．速度下，發(fā)送到這個端口的11 kb脈沖數(shù)據(jù)會引起cpu內(nèi)核每秒中斷l(xiāng) 500次，很可能使其從空閑模式中喚醒；但如果實際上不需要在這些小的8字節(jié)設(shè)備中處理數(shù)據(jù)，浪費是很驚人的。dma與大容量緩沖器一起使用，以使中斷發(fā)生的水平更加容易管理，或許是每秒10次或l00次，讓cpu在兩次中斷之間空閑。事實證明，在這些場合應(yīng)用dma能減少使用率達20％，可降低cpu功耗，并提高供其他線程使用的cpu帶寬。

5 控制cpu的性能
    cpu在降低功耗方面的進展表明，cpu消耗的能量與驅(qū)動cpu的時鐘頻率以及應(yīng)用其內(nèi)核上的電壓平方成正比。

    cpu允許動態(tài)降低時鐘速度。降低一半時鐘速度，功耗將成比例下降。但是僅采用這種技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能，還需要一些技巧．因為執(zhí)行的代碼可能要兩倍長的時間才能完成，即使這樣也不會省電。例如，板上lcd控制器需要使用一個儲存在片外sdram中的幀緩存。當(dāng)lcd控制器工作時，需要足夠高的內(nèi)存總線頻率來滿足顯示器刷新速率的需要。在lcd不工作的情況下（例如當(dāng)pda僅作為mp3播放器使用時），降低sdram總線頻率，可以節(jié)省整個系統(tǒng)的功耗。

    動態(tài)降低電壓是另一種做法。越來越多的cpu允許降低電壓，以適應(yīng)cpu時鐘速度的下降，這樣在降低時鐘速度時也能省電。事實上，只要cpu不飽和，頻率和電壓就能不斷減少，這樣還是能完成工作，而消耗的電源總體上卻比較低。

    考慮到并不是所有線程都消耗同樣多cpu帶寬，所以即使這些方法也還是可以改進的。有效應(yīng)用cpu帶寬的線程，會隨著cpu時鐘速度下降而花更長的時間才能完成，這些線程使用分配給它們的每一個周期。另一方面，i／o線程采用分配給它的所有cpu周期，即便cpu時鐘速率下降，也要用同樣長的時間才能完成。例如，像很多pda使用的pcmcia卡接口，當(dāng)數(shù)據(jù)寫人快閃存儲卡時，系統(tǒng)瓶頸不是cpu的速度，而是物理總線接口以及卡的固件為擦掉和重新編程閃存所花的時間。理想情況下，前面討論的等待事件的技術(shù)可在這里應(yīng)用，以zui大程度降低功耗，但是等待時間經(jīng)常變化很大，遠小于操作系統(tǒng)運行時間，這樣會影響到性能。這些驅(qū)動程序常常檢測狀態(tài)寄存器，此時降低時鐘速度將節(jié)省一部分電源，但會對數(shù)據(jù)寫入卡的時間產(chǎn)生輕微影響。

    使用控制cpu性能的策略，要知道何時能降低時鐘頻率和電壓而不會顯著影響性能；考慮什么時候降低驅(qū)動器和應(yīng)用程序的時鐘速度比較難處理。這在多任務(wù)處理環(huán)境中更加富有技巧性。

6 結(jié) 論
    近年來隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子合一的加速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品成為信息產(chǎn)業(yè)的主流。linux在短短的十幾年時間已經(jīng)發(fā)展成為功能強大設(shè)計完善的操作系統(tǒng)之一，可運行在x86、alpha、sparc、mips、ppc、motorola、nec、arm等多種硬件平臺上，而且開放源代碼，并可以定制，越來越多的企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)都轉(zhuǎn)向嵌入式linux的開發(fā)和研究上。本文在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，研究了在嵌入式linux系統(tǒng)中通過優(yōu)化軟件編寫機制來降低zui終產(chǎn)品功耗水平的方法，具有很強的實際應(yīng)用意義。隨著研究的深入，嵌入式linux必將顯示出其在低功耗方面的*性，將有更多的嵌入式設(shè)備普及l(fā)inux應(yīng)用。