[背景和早期版本]
電源管理的目的是節能,基本的節能方法是使系統適時的進出休眠狀態.比如用戶按下On/Off按鈕,或者監視用戶活動的定時器超時,或者應用呼叫 api都可以使得系統休眠,用戶再次按下On/Off或者其他喚醒中斷將使得系統退出休眠.從而可見,電源管理模塊和用戶活動情況密不可分,電源管理是用 戶活動所驅動的. WinCE中處理用戶與系統交互的部分是GWES,所以早期電源管理工作是由GWES來實現.( GWES:Graphics,Windows and Events Subsystem.圖形,窗口和事件子系統.主要負責圖形輸出和用戶交互). 但GWES提供的電源管理模塊功能過於粗糙死板:所有子設備只能有On和Suspend狀態,應用程序無法得到任何狀態轉換通知,等等……直到 WinCE4.0才引入了電源管理模塊用以替代GWES中的電源管理功能.(進一步的,爲了方便電源管理模塊的集中管理,還需要關閉原來GWES對電源管 理功能.方法是註冊表HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Power設置 DisableGwesPowerOff=1來禁止GWES插手電源管理.系統是默認禁止的.此外,一些用戶活動情況仍舊依賴GWES獲得,設置註冊表 HKLM/system/GWE下的ActivityEvent=PowerManager/ActivityTimer/UserActivity.從 而告訴GWES,當鼠標,鍵盤,觸摸屏等輸入發生時候,GWES要SetEvent這個全局事件以通知電源管理模塊.)
新的電源管理模塊提供更完整和靈活的功能,系統電源可以自由靈活設定,子設備電源狀態可以單獨設定,應用可以獲得電源通知等等.
[系統電源]
OEM可以依據需要任意定義系統電源狀態,比如On,ScreenOff,UserIdle,SystemIdle,Suspend等.系統電源狀 態更多的是代表系統電源的一種配置方案,它是各個子設備電源配置的集合.它設定一種可能出現的情景,並且事先擬定了此情景下電力分配策略(哪些子設備打 開,哪些子設備關閉).比如,也許On可以代表常規工作的情景,所有子設備打開的狀態; ScreenOff可以代表LCD被用戶請求關閉的情景,LCD背燈電源被關閉的狀態; UserIdle可以代表用戶一段時間沒有操作的情景,cpu/soc將進入low power的狀態; Suspend可以代表設備空閒很久了可以掛起的情景,所有非必要供電的子設備電源關閉的狀態;等等…系統的電源狀態的定義很靈活而且自由. 可以在註冊表定義系統電源狀態.比如:
[HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Power/State/On]
"Default"=dword:0 ; D0
"Flags"=dword:10000 ; POWER_STATE_ON
上面定義了On狀態,Flags是附加的狀態信息(hints),對應pm.h中的宏定義POWER_STATE_ON.defaule表示在這個 狀態下所有子設備的默認狀態.
電源管理模塊的重點之一是制訂系統電源管理策略,這包括定義系統電源狀態,決定狀態間轉換的條件.以默認的版本爲例子,簡單圖示如下:
子,簡單圖示如下:
On:用戶與系統交互時候的狀態.
UserIdle: 代表用戶停止輸入,但可能仍然在使用的情景,比如閱讀文件.
SystemIdle: 代表用戶停止使用設備,但處理器仍然工作的情景,比如,後臺文件傳輸.
Suspend: 代表休眠狀態.
用戶在使用時候,系統處於On狀態,用戶停止輸入,系統自動轉入UserIdle狀態,持續沒有輸入時間後,進入SystemIdle狀態,持續一 段時間後,系統將自動進入Suspend狀態.應用程序也可以調用SetSystemPowerState()來進行狀態切換.
在這個基礎上,根據自己的平臺特點,增加新的策略就基本可以滿足常規產品需要.
1. On/Off按鍵. (A).電源管理模塊已經支持了電源按鍵功能,最直接的辦法可以在pdd中增加電源按鍵定義,按鍵io的初始化,檢測等等,(B).從外部發送消息給電源 管理模塊來通知按鍵事件.(C).使用api直接轉換狀態.即不使用電源管理模塊提供的按鍵功能,直接調用SetSystemPowerState使得系 統進入Suspend狀態.這是很常見的做法,我們設計一個電源按鍵的流驅動,檢測到按鍵時候,呼叫api將系統電源轉換到Suspend.
2. 加入背燈控制.比如在On狀態下打開請求顯示驅動打開背燈,在UserIdle和SystemIdle狀態下請求顯示驅動關閉背燈.
[設備電源]
支持電源管理的設備驅動的實現,存在有大量的例子.簡單介紹如下:
電源管理模塊並不直接實現對子設備的電源開關控制,子設備的電源控制是由各個設備驅動來控制的.電源管理模塊透過設備驅動的IOCTLs來請求設備 控制自身電源.系統電源狀態是靈活自由設定的,而設備電源狀態是固定的,最多有5個:D0,D1,D2,D3,D4代表Full on,Low on, Standby, Sleep, Off這5個狀態.
不是所有的設備驅動都支持電源管理(至少,在電源管理出現前的早期的設備驅動不會支持).電源管理模塊對設備驅動提出了一個規範和架構,滿足規範的 驅動納入電源管理.對於流驅動控制的設備,要支持電源管理要滿足的條件,簡單來說有:1.聲明自己是支持電源管理的(Iclass值).2.驅動中實現電 源管理模塊所要求的IOCTLs.3.驅動加載時候要彙報所支持的電源狀態和相關特徵.4.***_PowerDown和***_PowerUp接口接收 系統休眠和喚醒通知.此外,設計驅動還應該瞭解:設備不一定具備所有5種狀態,但至少可以工作在D0;電源管理模塊可能會要求設備進入任何設備電源狀態, 並不僅僅是設備所彙報自己支持的那幾個;如果被要求進入不支持的狀態,應該進入另一個它所支持的更高功耗的狀態;當前狀態不需要重複設置;設備電源狀態不 一定和系統的電源狀態同步.除了流驅動外,還有許多內建驅動需要支持電源管理功能.簡單總結:1.顯示驅動通過ExtCode接口 (SETPOWERMANAGEMENT命令,類似IOCTLs)來控制顯示驅動的電源,還控制背燈.2鍵盤驅動的接口 KeybdDriverPowerHandler.3.觸摸屏是TouchPanelPowerHandler.4.內建網絡miniport驅動是 MiniportReset接口.5.PCMCIA驅動是PowerUp和PowerDown.還有打印機,紅外等一些內建驅動.
[OAL對電源管理的支持]
[系統的 idle狀態]
當沒有線程準備運行時候,內核就調用OEMIdle().這個函數在bsp中,可以由OEM來修改定製.一般我們在這個函數裏面會要求cpu進入 low power狀態節省電流消耗.一般的cpu/soc都提供了對應idle的睡眠模式.當中斷髮生或者喚醒事件發生時候,要保證cpu快速離開idle狀 態,返回運行狀態.
系統idle狀態和前面說的UserIdle狀態是不同概念,前者是cpu負荷情況驅動,代表系統空閒;後者是用戶活動驅動,代表用戶空閒.
一個OEMIdle()的推薦流程:
根據dwReschedTime變量來計算下次喚醒時間
判斷sleep類型,假如需要,調整喚醒時間
Idle處理器和時鐘
中斷髮生
判斷喚醒源
更新CurMSec, idle計數值.
[系統suspend狀態]
當用戶按下OFF按鈕或者應用調用api進入suspend狀態時候,內核會調用OEMPowerOff()函數.在OEMPowerOff()函 數裏面實現系統掛起,並且系統喚醒後繼續從OEMPowerOff()被掛起處執行. OEMPowerOff()時候要進入睡眠模式,睡眠模式根據cpu芯片的sleep模式來選擇,要選擇最低功耗的模式.如果cpu芯片提供的最低功耗模 式是PowerDown模式,處理工作比較複雜,因爲喚醒後是從reset處開始執行,要恢復掛起時候的環境,使得應用程序不知道自己被掛起過.一般按照 這樣流程來處理:關屏,清framebuffer, 保存必須的寄存器到內存, 設置io, 保存通用寄存器, 保存wakeup地址, 靜止中斷,清除cache, 使能喚醒源中斷, 設置sdram自刷新, cpu進入PowerDown. 喚醒後的流程相反即可. 對於PowerDown模式之外的其他模式,比如慢時鐘模式, 處理則簡單很多,最重要的是設置喚醒源(一般是任何中斷可喚醒), sdram進入自刷新狀態.
[SDRAM的控制]
SDRAM的耗電比較大,一般是系統裏面除了lcd背光外,sdram是最大的電力消耗設備.常見有mobile sdram和normal sdram這2種,mobile sdram相對於normal sdram增加了溫度補償自刷新,局部陣列自刷新,深度休眠特性,更加適合功耗限制設備,(但mobile sdram工作在更低電壓(1.8~2.5v),我想,對有些3.3v總線的cpu未必適合,因爲總線會增加很多電平轉換的電路.)
在OEMPowerOff()函數裏面,保存好當前環境到sdram,然後使得sdram進入自刷新狀態,cpu就可以進入最低功耗的sleep模 式.喚醒後需要退出自刷新狀態.
[應用層於電源管理]
電源管理模塊也提供了應用層接口,使得應用程序也可以參與到電源管理.
應用層可以通過SetSystemPowerState()來設置系統電源狀態,可以通過SetDevicePower來設置子設備電源狀態,可以 通過SetPowerRequirement通知電源管理模塊將子設備設置在特殊電源狀態下,不隨系統電源改變.此外,電源管理還提供了消息隊列,應用層 還可以通過RequestPowerNotifications函數請求電源管理模塊發送相關消息(PBT_RESUME, PBT_POWERSTATUSCHANGE, PBT_TRANSITION, PBT_POWERINFOCHANGE).
設計應用程序也許有幾點值得考慮:不要無謂佔用cpu,儘可能快的讓出cpu.比如一個很小的動畫,哪怕只佔1%的cpu也會導致一些系統無法進入 低功耗.這裏是2點建議:(1)當應用不在foreground時候,停止佔用cpu.(2)用戶沒有和應用交互時候,停止應用對cpu的佔用.另外一些 應用也許是相反情況的,播放媒體文件時候,當開始播放時候,不希望自動進入suspend模式.可以(1)每隔一些時間就reset一次定時器.(2)或 者設置所有定時器爲0,停止電源管理(tcpmp就是這樣的).
[電源管理的系統實現]
電源管理模塊實體是一個動態鏈接庫pm.dll來實現的.可以在pb的catalog窗口中選擇電源管理組件添加到os中.如下圖,微軟提供了2個 選擇(二選一).第一個代表完整功能,所有api全功能實現,第二個代表空實現(形式上提供接口,但空函數).
電源管理模塊的代碼結構是分層的,MDD PDD.MDD是抽象公共庫,不需要改動,PDD是平臺相關,主要改動都在PDD.針對平臺特性,微軟提供了2種類型PDD示例.一種是default, 另外一種是pda版本的.默認的情況,使用的是default.如果要使用pda版本的,需要在系統中指定環境變量SYSGEN_PM_PDA. default和pda版本的主要區別:
default版本定義了4種狀態:On, UserIdle, SystemIdle, Suspend;
PDA版本定義了On, ScreenOff, Unattended, Resume, Suspend.
default版本的簡單描述:UserIdle狀態是描述用戶在使用但沒有操作,比如閱讀.SystemIdle狀態描述用戶停止使用,但系統仍 然工作,比如文件傳輸.
PDA版本簡單描述:ScreenOff狀態描述用戶請求把屏幕背燈關閉.是用戶主動關閉的情況,區別於UserIdle,UserIdle是自動 的.Unattended狀態表示後臺工作,用戶不會對其察覺的情景,比如ActiveSync每5分鐘喚醒系統同步,然後繼續suspend; Resume狀態描述喚醒後情景,比如喚醒後在指定時間內決定轉到哪個狀態,否則繼續suspend.
[定製電源管理模塊的方法]
Pm.dll是由device.exe加載的,首先device.exe當然是必須的,在pb的catalog中檢查Device Manager組件,或者檢查SYSGEN_DEVICE變量.其次,仍舊應該選擇上圖的電源管理組件power management full.
方案一(推薦方案):在bsp的驅動目錄中新建一個pm目錄,在這裏完成電源管理模塊PDD部分的實現,並鏈接MDD最終生成一個pm.dll替代 原來系統的pm.dll.
PDD參考微軟提供的代碼platform.cpp,主要修改是增加狀態轉換的動作執行單元.
方案二:完全不修改電源管理部分,因爲默認的PDD在狀態轉換時候雖然沒有動作,但是廣播了PBT_TRANSITION消息,可以截獲這個消息來 進行狀態轉換.這樣作法不如方案一直接.如果是進程實現,還浪費一個寶貴進程資源.
[影響系統功耗各方面考慮]
1.系統時鐘週期
典型的WinCE系統時鐘週期是1ms,增加時鐘週期有助進一步降低設備功耗.在OEMInit()àOALTimerInit()修改系統時鐘.
2.可變系統時鐘節拍Variable Tick Scheduler
典型設計裏wince每毫秒產生系統時鐘中斷,那麼每隔1ms都會使得idle退出,如果發現沒有線程就緒時候繼續idle. 對有功耗限制的設計,可以考慮改變系統時鐘節拍後進入idle狀態.這樣在預期的時間段裏,idle狀態不會被無謂的系統時鐘中斷喚醒.
3.LCD背燈的調節策略
早期的設計使用一個獨立的驅動來實現背燈的控制和調節策略.簡單介紹背燈驅動原理:背燈驅動啓動一個監視工作線程,不停等待3個事件:
1. BackLightChangeEvent
2. PowerChangedEvent(供電電源發生變化,比如插手了AC電源,會獲得了這個事件)
3. PowerManager/ActivityTimer/UserActivity(用戶輸入事件)
從註冊表中讀取超時值,當超時事件發生,則將系統背燈關閉.背燈關閉期間,用戶重新活動時候,發生第3個事件,則打開背燈.註冊表的超時值決定了背 燈工作時間.類同pc上設置屏幕保護時間.此外,背燈驅動也需要提供對系統電源狀態切換的支持.power down時候要關閉背燈,power up時候打開背燈.
電源管理模塊可以定義一種系統電源狀態來描述背燈關閉的情景(比如在UserIdle或者ScreenOff狀態時候關閉背燈,On狀態時候打開背 燈)所以,背燈驅動可以被取消.
4.IO口的漏電流
空載IO避免設置成爲輸入口,考慮懸空輸入導致門電路開關,造成電流消耗.負載IO依照情況設定,一般設置輸出低.
5.電池驅動
電池驅動最主要的功能是監視系統電力.它提供了其他模塊和應用對系統電源狀態的查詢,查詢是AC,還是battary供電,查詢電池電量等.