Windows Mobile电源管理分析与实现

Windows Mobile电源管理分析与实现

 如今在以数码消费产品为代表的嵌入式系统领域，大多数系统采用电池供电，由于电池容量有限，这使得实现产品的低功耗，延长待机时间成为一个重要的课题。在已确定硬件电路功耗的情况下，提高电池电源的使用效率是实现低功耗的一个重要任务，其基本思想是在系统中没有任务等待运行时，把系统置于尽可能低的能量状态，等到有任务需要执行时，再将其快速唤醒，尽可能有效地利用功耗。

1 Windows Mobile中的电源管理
    WinCE系列操作系统中的电源管理模块正是出于后者的考虑而出现的，图1为电源管理(Power Manager)的运行机制。该模块根据系统实际运行情况，以CPU为中心，管理器件和外设的功耗状态，实现系统在不同电源状态间的转换，从而在保证系统性能的前提下降低功耗。而Windows Mobile系统针对其专用于移动通信平台的特点，对电源管理部分做了进一步的定制，使其具有更好的效能，进一步提高系统的电源效率。
    Power Manager的实现在软件上需要OS内核、驱动层及应用层的协作，对于预先定义好的系统电源状态，Power Manager将这些状态映射到具体的CPU电源状态和设备电源状态，在系统电源状态切换时就会执行对应的CPU和外设的电源状态切换操作。

1．1 电源管理与系统其他部分的交互
    在Windows Mobile中Power Manager以名为PM．dll的动态链接库形式在启动时被设备管理器De-vice．exe加载，如图2所示。

    应用程序可通过API申请将系统电源置于一定的状态，同时也可申请将指定设备设置于特定的电源状态，应用程序也可以申请电源状态通知，以便在系统电源状态切换时收到消息以执行对应的操作。当需要切换系统电源状态时，电源管理模块与电源管理的设备通信，进而调用这些设备的电源相关函数，实现对这些设备的电源管理，同时如果有应用程序或设备驱动申请了电源状态通知，则电源管理模块会向消息队列中发送消息。

1．2 Windows Mobile中的电源状态以及状态间的切换
    Windows Mobile有两个版本，SmartPhone和Pocket PC，这里采用是Windows Mobile 6的PocketPC，它定义了以下几个电源状态(Windows Mobile的电源状态是不能像WinCE那样再定制的)：
    ON：用户与系统交互时的状态；
    Backlight OFF：在一段时间内(默认15 s)，如果一直没有用户操作就关闭背光，这时其他的设备都没变化；
    Screen OFF：一般由某些程序指定，才进入这个状态。比如音乐播放器程序，当你听音乐时按下某个键可以将屏幕关闭；
    Suspend：Pocket PC的睡眠模式，几乎所有设备都被关闭，直到某个硬件设备触发中断才将系统唤醒，这是Pocket PC系统中功耗最低的一个状态，对这个状态的实现直接影响到待机时间；
    Resuming：Pocket PC被唤醒后的状态，这时屏幕是关闭的，并启动一个15 s的计时器，在这段时间内决定接下来进入哪个状态，如果计时器超时则重新回到睡眠状态；
    Unattended：这个状态只在Pocket PC中被使用，用户对其不会有所察觉，即程序在后台执行。
    这里可以用系统电源状态机来简单地描述Win-dows Mobile的电源管理策略。以Pocket PC为例，系统电源状态机如图3所示。

    系统内部的电源管理器负责协调电源状态的转换，电源状态的转换主要由计时器超时(Timeout)、电源键事件(ON／OFF Event)、用户操作(User Activity)等方式触发。

2 PXA270平台上电源管理的实现
    电源管理的实现，涉及到系统中软件硬件的互相配合。对于软件来说，涉及到各个层面，包括Windows Mobile内核和设备驱动，这二者主要负责电源管理在处理器和物理外设等硬件上的实现，另外有些应用程序也会有涉及，这主要是系统电源状态与具体应用需求之间的协调。这里应用的平台是开发的基于PXA270的Windows Mobile智能手机平台，该平台搭载了NXP的基带处理器及其外围电路。以实现GSM通信。另外，还有蓝牙、摄像头等功能模块，因此对该平台进行电源管理优化是十分必要的。
2．1 内核电源管理的实现
2．1．1 Suspend／Restlume模型
    对于SmartPhone，采用的是AlwaysOn模型，只是在工作一段时间后关闭背光和屏幕，但是系统仍在运行。该平台实现的是Pocket PC，采用Suspend／Re-sume模型，在系统处于空闲时，可将系统置于Staspend状态，此时系统处于最低的功耗状态，在必要时再将其唤醒。在两个模型之间需要权衡，虽然Always On没有休眠模式，但是Suspend／Resume在Suspend和ON之间切换也是需要消耗大量能量的。系统电源状态的切换最终会导致内核中OEM函数的调用，下面重点介绍内核中电源管理的实现，在Windows Mobile的样例BSP中有示例代码框架在Off．c和Xllp_SuspendAn-dResume．c可供参考。
2．1．2 Suspend流程
    在平台实现上，切换至Suspend状态时会调用OEMPowerOff函数，此时会将外设关闭，将PXA270处理器置于sleep模式，OEMPowerOff中Suspend的具体流程，即Xllp_SuspendAndResume函数如下：
    (1)设置当前程序状态寄存器CPSR的I位和F位，以禁止IRQ和F1Q中断；
    (2)根据第一步中获得的地址，将Power，Inter-rupt，GPIO，CLOCK等硬件平台及OS相关的寄存器保存在Xllp_SuspendAndResume函数的全局变量中，即将这些寄存器的值保存于SDRAM中；
    (3)保存ARM架构下处理器模式的相关寄存器值，除了User模式的6种处理器模式，需保存的是SP，LR，和SPSR。另外，FIQ模式还需保存R8～R12。为了使用stmdb批拷贝指令，在此使用“伪堆栈”，即用SDRAM中的物理空间来模拟堆栈；
    (4)配置MDREFR寄存器，设置好SDRAM的自刷新频率。在sleep模式下，SDRAM将处于自刷新状态以维持之前保持的状态数据，供系统唤醒时恢复到sus-pend之前的状态；
    (5)利用PSPR寄存器来保存Resume参数的物理地址，如重启原因、睡眠模式等，PSPR的数据在sleep时不会丢失；

(6)配置PWER，PRER或PFER寄存器，以使能特定的唤醒源，这里设置RTC、来电RING中断和电源键的唤醒；
    (7)保存当前处理器模式的状态寄存器，保存MMU寄存器，保存Restlme的返回地址XllpRes-umePhase3，回写Cache，配置CP14寄存器CR7，让处理器进入sleep模式。到此，PXA270进入sleep模式，系统处于Suspend电源状态。
2．1．3 Resume流程
    总的说来，Resume流程与Suspend是相反的，处理器初始化之后，会载入Suspend之前保存在SDRAM中的各种状态参数，恢复之前状态，其流程简要介绍如下：
    (1)当已使能的唤醒事件发生时。处理器会从BootLoader启动，进行基本的硬件初始化之后。会判断是Reset，还是sleep Resume，如果是后者，则会跳转到Xllp_ResumePhase2A；
    (2)在Xllp_ResumePhase2A中首先会将保存在PSPR中的参数取出，检查无错误后，重新配置好MMU，载入处理器状态寄存器和堆栈，跳转至XllpRe-sumePhase3；
    (3)在XllpResumePhase3载入所在环境的处理器状态寄存器，接着逐级返回至OEMPowerOff函数，在OEMPowerOff函数中会获得唤醒源，然后退出；
    (4)此时系统由Power Manager置于Resuming状态，Power Manager 根据唤醒源判断是否将系统置于ON，还是继续Suspend。
此时，系统状态已经恢复至睡眠之前，结束了Re-sume流程，完成对系统的唤醒。
2．2 设备驱动电源管理的实现
    除了对处理器的电源管理，Power Manager还有一个主要工作就是平台上设备的电源管理。对于只有ON和OFF两种电源状态的设备，Power Manager通过DeviceIOControl在Suspend和Resuming时分别调用各设备驱动中实现的PowerUp和PowerDown函数，以开启和关闭设备。在该平台上大多数设备都属于这种管理方式，包括LCD，Aladio Codec等，这些工作主要是在Wince流驱动的IOControl中执行一些开启或者关闭处理器I／O电源的操作。
    对于GSM和蓝牙等较复杂的设备，需要能及时唤醒，如在系统Suspend来电时，GSM模块需快速唤醒并做出响应，因此这些设备也支持sleep等模式。在进入Suspend会相应调用这些设备驱动的sleep函数，进入设备的省电模式，而在Resuming时也会调用对应的退出sleep的函数，以实现快速唤醒。
2．3 应用程序电源管理的实现
    在此以自己编写的基于DirectDraw的照相程序为例来说明应用程序中电源管理的实现。
    首先，在开启照相程序时，预览一段时间没有操作后，不希望按照定时器的值进入Suspend，此时需定时修改SuspendTimeout，以阻止系统进入睡眠状态。具体做法是：启动一个30 s的定时器，每30 s调用一次SystemIdleTimerReset函数。另外，由于该照相程序是Overlay显示效果，在进入拍照程序后，如果按下电源键进入Suspend状态，再唤醒时系统仍处于拍照程序，但是由于PXA270的LCDController没有再次创建Overlay层，因此程序不能显示图像。从使用者的角度考虑，在系统Reume之后照相程序应能恢复正常。做法如下：在程序中创建一个线程，用CreateMsgQueue创建一个消息队列，调用RequestPowerNotifications申请获得电源管理消息，然后调用WaitForSingleOb-ject等待通知，当收到Suspend的消息时，对程序窗口发送重新初始化Overlay的消息，在Resume后，程序会马上执行重新初始化的流程，照相程序恢复正常。

3 数据分析
    对系统运行时几个典型电源状态的电流值做了测量，数据如表1所示。

4 结 语
    对于1 200 mA／h的电池，该智能手机平台能达到160 h左右的理论待机时间，以及3 h左右的通话时间。另外，睡眠及唤醒的响应时间也在1 s左右，表明Power Manager达到了提高电池电源使用效率的目标，基本满足实际应用的需求。