基于LINUX的電源管理cpuidle模塊研究及應(yīng)用

趙婉芳

摘 要：本文主要針對LINUX嵌入式系統(tǒng)的電源管理部分，分析了目前存在的主要的電源管理技術(shù)，重點(diǎn)研究了LINUX系統(tǒng)中當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時(shí)負(fù)責(zé)電源管理的CPUIDLE模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及接口核心編碼，對基于LINUX系統(tǒng)的電源管理研究有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：LINUX系統(tǒng)；CPUIDLE模塊；接口

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0019-01

隨著移動互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的便攜式移動終端被鏈接入網(wǎng)，對于移動終端的待機(jī)時(shí)長，安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，由于便攜式終端具有移動性強(qiáng)，體積小的特點(diǎn)，主要選擇使用電池供電，因此如何對具有電能消耗的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)電源規(guī)劃管理，使得電池的壽命延長，最大限度的提升電能的使用率是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

1 電源管理技術(shù)

目前電源管理技術(shù)主要分為靜態(tài)電源管理和動態(tài)電源管理兩種方式。靜態(tài)電源管理（SPM）主要使用在PC機(jī)端，目前有兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是高級電源管理APM和高級配置和電源管理接口ACPI，在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都對靜態(tài)電源管理的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的狀態(tài)定義。靜態(tài)電源管理的基本思想是把系統(tǒng)看作一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，其中包括多種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)參數(shù)集合，這個(gè)參數(shù)集合表示的是該工作狀態(tài)下的功耗和性能參數(shù)等。系統(tǒng)可以根據(jù)自身的負(fù)載情況在各個(gè)工作狀態(tài)之間進(jìn)行切換，也可以由用戶根據(jù)自身需要進(jìn)行某個(gè)工作狀態(tài)的設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)空閑，零負(fù)載或者負(fù)載比較小的時(shí)候，系統(tǒng)就會控制設(shè)備進(jìn)入低性能狀態(tài)或者低功耗狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)請求較多，負(fù)載較高時(shí)，系統(tǒng)就會控制設(shè)備進(jìn)入高性能狀態(tài)或者高功耗狀態(tài)。系統(tǒng)主要的四個(gè)狀態(tài)為：正常運(yùn)行態(tài)，待機(jī)態(tài)，掛起態(tài)，深度休眠態(tài)。

動態(tài)電源管理（DPM）則廣泛應(yīng)用于嵌入式移動終端設(shè)備，是一種系統(tǒng)級的功耗控制技術(shù)。動態(tài)電源管理的基本思想是設(shè)想系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，每個(gè)部件可以有多種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)對應(yīng)著不同的電壓和時(shí)鐘頻率，因此有著不同的功率消耗。動態(tài)電源管理主要依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各部件的具體負(fù)載情況，調(diào)整設(shè)備進(jìn)入適合的功耗狀態(tài)，以此來節(jié)省功耗。由于動態(tài)管理系統(tǒng)隨時(shí)在繁忙和空閑等工作狀態(tài)之間進(jìn)行切換，在進(jìn)入和退出工作狀態(tài)時(shí)會帶來一定的延時(shí)，因此，如果狀態(tài)切換太過頻繁，帶來的延時(shí)會抵消節(jié)省功耗帶來的益處，降低系統(tǒng)性能。所以在動態(tài)電源管理中，最重要的是選擇好正確的管理策略，取得功耗和延時(shí)及性能之間的最佳平衡點(diǎn)。動態(tài)電源管理策略通常分為四種類型：（1）超時(shí)策略；（2）貪婪策略；（3）基于隨機(jī)過程策略；（4）預(yù)測策略。

2 CPUIDLE模塊

Linux系統(tǒng)中，支持CPU電源管理的模塊主要分為CpuIdle和cpufreq兩個(gè)模塊，當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時(shí)主要由cpuidle framework來負(fù)責(zé)管理這種空閑狀態(tài)時(shí)的電源功耗，當(dāng) CPU活躍時(shí)，則由cpufreq模塊來負(fù)責(zé)管理電源的使用。在Linux內(nèi)核中，cpuidle架構(gòu)位于“drivers/cpuidle”文件夾中，分別包含三個(gè)模塊，分別為：cpuidle core：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)cpuidle framework的整體框架；cpuidle governors：負(fù)責(zé)管理方案的選取； cpuidle drivers：定義每一個(gè)狀態(tài)的功耗和延遲分別是多少并負(fù)責(zé)idle機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，即：如何進(jìn)入idle狀態(tài)，什么條件下會退出，等等。以上三個(gè)模塊再結(jié)合位于kernel sched中的cpuidle entry，共同完成cpu的空閑管理，CpuIdle模塊的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在cpuidle架構(gòu)中最重要的就是cpuidle governor部分，它負(fù)責(zé)具體電源管理方案的選取，因此電源管理是否有效，關(guān)鍵在于governor的配置使用。在當(dāng)前的系統(tǒng)內(nèi)核中CpuIdle模塊主要有兩個(gè)governor部件，分別為ladder governor和menu governor，它們分別使用于不同的系統(tǒng)中。對于現(xiàn)在的大部分系統(tǒng)，由于電源管理的原因以及延遲容忍度的處理，大多系統(tǒng)都是使用menu governor來選擇一個(gè)合適的空閑狀態(tài)。在menu governor工作過程中，其綜合考慮并計(jì)算系統(tǒng)切換不同狀態(tài)時(shí)所花費(fèi)的功耗以及帶來的延遲容忍程度，最終來選擇所要進(jìn)入的空閑狀態(tài)，因此該部分是cpuidle模塊中電源管理的核心部分，如何使用該部分成為系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)是時(shí)能否達(dá)到最佳節(jié)能目的關(guān)鍵。

3 governor接口

Governor的使用是通過接口程序來實(shí)現(xiàn)的，cpuidle_ governor結(jié)接口程序通過cpuidle core使用struct cpuidle_ governor結(jié)構(gòu)抽象得到，以下是governor的標(biāo)準(zhǔn)接口程序：

struct cpuidle_governor {

char name[CPUIDLE_NAME_LEN]；

struct list_head governor_list；

int （*init） （struct cpuidle_device *dev）；

void （*exit） （struct cpuidle_device *dev）；

void （*scan） （struct cpuidle_device *dev）；

int （*select） （struct cpuidle_device *dev）；

void （*reflect） （struct cpuidle_device *dev）；

struct module *owner；

}；

其中，由cpuidle調(diào)用init（）方法來初始化控制器；

調(diào)用exit（）方法可以退出控制器；

scan（）方法用于重新檢測設(shè)備所處的狀態(tài)。這樣能保證及時(shí)獲取到狀態(tài)的變化；

select（） 方法在系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài)之前被調(diào)用，該方法根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以及各個(gè)idle state的特性，選擇一個(gè)決策；

cpuidle_register_governor（）方法和cpuidle_unregister _governor（）方法用于注冊或注銷一個(gè)cpuidle governor；

reflect（）是個(gè)回調(diào)函數(shù)，通過該函數(shù)告知governor，系統(tǒng)上一次所處的空閑狀態(tài)是哪一個(gè)（即系統(tǒng)從哪一個(gè)state回來）。

4 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對于終端電源的能耗將要求越來越高，電源管理將會成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。本文主要分析了目前存在的靜態(tài)和動態(tài)電源管理技術(shù)，研究了LINUX系統(tǒng)中當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時(shí)負(fù)責(zé)電源管理的CPUIDLE模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及接口核心編碼，對基于LINUX系統(tǒng)的電源管理方面研究有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

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