Linux内核电源管理知识入门

1. 电源状态介绍

   

进行电源管理的原则就是不能“占着茅坑不拉屎”，或者“用力过猛”。我们做一件事情的时候，生手往往使用蛮力，一会就累趴下了，老油条又不用力，光占着位置不出活，我们需要的是愿意干活的熟练工，不该用力的时候不用力，该用力的时候用大力，这样才能上工时间长，效益高。就像上面图中的电源状态名字，该偷懒的时候就偷懒磨洋工（Power Save），该甩开膀子加油干的时候就不保留（Power on），该小睡（Standly）或者大睡（Sleep）就去睡觉。     嵌入式设备运行的时候也是同样的道理，CPU等各种元器件并不是每时每刻都有活干，比如我们的手机，打游戏（超级大活）的时候就费电，网络视频电话（大活）也费电，看个电子书（小活）能省电一点，关闭屏幕放口袋（没活眯一会）里面就更省电了。

    

各种电源状态也是可以相互转化的，比如掏出手机，按键解锁就从节能模式到正常模式了，或者手机长时间不用就自动进入休眠模式了。上图作为一个例子，在我们自己设计的系统里面可以定义电源模式和编写转换方式。这里的电源模式有两种类型一种是系统电源状态，例如系统关机、重启休眠等，一种是每个外设的电源状态，例如网口、WiFi、I2C控制器等的关闭打开休眠等。  

2. Linux 电源管理的组成



Linux内核电源管理的整体架构组成，大体可以归纳为如下几类：

CPU在运行时根据系统负载进行动态电压和频率变换的CPUFreq。

CPU在系统空闲时根据空闲的情况进行低功耗模式的CPUIdle。

多核系统下CPU的热插拔支持。

系统和设备针对延迟的特别需求而提出申请的PM QoS，它会作用于CPUIdle的具体策略。

设备驱动针对系统挂起到RAM/硬盘的一系列入口函数。

SoC进入挂起状态、SDRAM自刷新的入口。

设备的运行时动态电源管理，根据使用情况动态开关设备。

底层的时钟、稳压器、频率/电压表（OPP模块完成）支撑，各驱动子系统都可能用到。

下面就Linux电源管理相关的一些名词解释，你也可以用ChatGPT来寻找解释，很多时候是我们不知道搜什么，就是你不知道你自己不知道，这里告诉你搜什么。

Linux电源管理框架

对于Linux中的电源管理框架，首先就是分层和抽象，可以看到有三层：

APILayer，用于向用户空间提供接口，屏蔽底层内核和硬件具体的实现细节，这样方便上层软件的开发和维护。例如关机和重启的接口形式是系统调用，Hibernate和Suspend的接口形式是sysfs。

PMCore，是尽可能的抽象公共逻辑，并在Framework内实现，以提高重用性、减少开发量，位于kernel/power/目录下，主要处理和硬件无关的核心逻辑。

PM Driver，分为两个部分，一是体系结构无关的Driver，提供Driver框架（Framework），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。另一部分是具体的体系结构相关的Driver，这也是电源管理驱动开发需要涉及到的内容（图中红色边框的模块）。

Linux中电源管理有关的源码分别位于：

 

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

  3. ARM SoC中PCSA与SCP

   

 只从Linux角度研究电源管理还远远不够，特别是在ARM的异构多核SoC中，例如手机和汽车的复杂系统中。系统中有多个OS，Linux只是其中一个OS，而且电源管理相关的控制都是系统非常重要的，必须放安全世界，可惜的是Linux是非安全世界，所以需要Linux-》PSCI-》SMC-》ATF（BL31）-》SCMI-》MailBox-》SCP-》CRU/PMIC/PPU等。

      


 

4. SoC设计中的电源管理

    

在CMOS电路中功耗可以分为静态功耗和动态功耗。

 

静态功耗又叫做泄漏功耗，是指电路处于等待或不激活状态时泄漏电流所产生的功耗，跟硬件相关，系统都不运行了软件就不用关系了。

动态功耗就是在系统运行时的功耗，直接看公式：

   

 式中C 代表负载电容的容值，V 是工作电压，A 是当前频率下电路的平均翻转率，f 为工作频率，IShort 和ILeakage 分别为短路电流和漏电流。从公式中可知，C、V 、A、f 决定了整个CMOS 电路的功耗：CMOS芯片的能量消耗正比于电压的平方和时钟频率。对于硬件器件的功耗控制技术，在软硬件上万变不离其宗，基本就是通过控制电压和频率进行的。    

 对于电压的提供，引入电压域和电源域的概念，梳理出来相同电压需求的器件可以加入一个电压域。梳理出来一个功能模块的电压供应放到一块是一个电源域。可以使用PMIC进行供电。另外引入电源轨的概念，涉及到上下电的顺序，因为功能硬件可能有依赖，需要设计先后顺序。   

  对于频率和复位，可以使用PLL产生clock，用CRU对器件的频率和复位进行管理。需要设计PLL对应的时钟树，复位也需要设计某个复位信号的作用范围。复位还牵扯watchdog的软硬件喂狗失败导致的复位。

    

对于电源域的控制，可以使用一个独立的MCU运行SCP固件，上面放PPU对电压和频率一块控制，如上图。另一种方案：也可以使用一个PMU硬件对电源域进行管理，PMU的控制可以放到BL31的安全世界。PMU和SCP的区别就是SCP是一个OS有独立的软硬件可以有决策能力，PMU只是一个硬件执行者，一般依附于A核Linux软件进行决策。    

还有一个clock gating的概念，就是把clock频率降为0，但是电压还有，从而来降低功耗，这个可以在CRU或者PPU中，某些器件不使用需要关闭降低功耗的时候不下电，只进行clock gating。  

  




审核编辑：刘清