引 言

　　如何有效地管理嵌入式系統，尤其是移動終端的電源功耗，是一個很有價值的課題。動態電源管理DPM(Dynamic Power， Management)技術提供一種操作系統級別的電源管理能力，包含CPU工作頻率和電壓，外部總線時鐘頻率，外部設備時鐘／電源等方面的動態調節、管理功能。通過用戶層制定策略與內核提供管理功能交互，實時調整電源參數而同時滿足系統實時應用的需求，允許電源管理參數在短時間的空閑或任務運行在低電源需求時，可以被頻繁地、低延遲地調整，從而實現更精細、更智能的電源管理。

　　1 動態電源管理原理

　　CMOS電路的總功耗是活動功耗與靜態功耗之和。當電路工作或邏輯狀態轉換時會產生活動功耗，未發生轉換時晶體管漏電流會造成靜態功耗：　　

　　式中C為電容，fc為開關頻率，Vdd為電源電壓，IQ為漏電流。C·Vdd·fc為活動功耗；VddIQ為靜態功耗。在操作系統級的電源管理設計實現中，重點是活動功耗。從中可以得出幾種管理活動功耗的方法：

　　①電壓／時鐘調節。通過降低電壓和時鐘來減少活動功耗和靜態功耗。

　　②時鐘選通。停止電路時鐘，即設fc為O，讓Pactive為0。將時鐘從不用的電路模塊斷開，減少活動功耗。許多CPU都有“閑置”或“停止”指令，一些處理器還可通過門控關閉非CPU時鐘模塊，如高速緩存、DMA外設等。

　　③電源供應選通。斷開電路中不使用的模塊電源供應。這種方法需要考慮重新恢復該模塊的代價。

　　斷開不使用的模塊的時鐘和電源供應可以減少電源消耗，但要能夠正確預測硬件模塊的空閑時期。因為重新使能硬件模塊時鐘和電源會造成一定延遲，不正確的預測將導致性能下降。

　　從式(1)可以看出：降低電壓對功耗的貢獻是2次方的；降低時鐘也可降低功耗，但它同時也降低性能，延長同一任務的執行時間。設2．0 V高壓下的能量消耗為E高=P高·T，則1．0 V低壓下能量消耗為E低=P低·2T(實踐中頻率近似線性依賴電壓)，再根據式(1)容易得到P高=8P低。綜合上式可以得出：E高=4E低，所以，選擇滿足性能所需的最低時鐘頻率，在時鐘頻率和各種系統部件運行電壓要求范圍內，設定最低的電源電壓，將會大量減少系統功耗。上例中完成任務所需的能量可以節約75％。

　　2 硬件平臺對動態電源管理的支持

　　通過調節電壓、頻率來減少系統活動功耗需要硬件支持。SoC系統一般有多個執行單元，如PM(電源管理)模塊、OSC(片上晶振)模塊、PLL(鎖相環)模塊、CPU核以及CPU核中的數據緩存和指令緩存，其他模塊統稱為外圍模塊(例如1，CD控制器、UART、SDRAM控制器等)。CPU高頻時鐘主要由PLL提供，同時PLL也為外圍模塊和SoC總線提供其他頻率時鐘。一般SoC系統都有一些分頻器和乘法器可以控制這些時鐘。PM模塊主要是管理系統的電源供應狀態。一般有自己的低頻、高準確度晶，振，用以維持一個RTC時鐘、RTC定時器和中斷控制單元。其中中斷控制單元使RTC定時器和外部設備能夠喚醒掛起的SoC系統。下面以一個廣泛用于手持設備的TI0MAPl610處理器為例。

　　①時鐘模塊。OMAPl610提供一個數字相控鎖環(DPLL)，將外頻或晶振輸入轉化為高頻，供給OMAP 3．2核以及其他片上設備。操作DPLL控制寄存器DPLLl_CTL_REG就可以設置DPLL輸出時鐘，輔以設置時鐘復用寄存器(MUX)和時鐘控制寄存器ARM_CKCTL，就能控制MPU和DSP的運行頻率，MPU、DSP外設時鐘，以及LCD刷新時鐘，TC_CK時鐘(Trafflc Control Clock)等。

　　②電源管理模塊。OMAPl610集成一個超低功耗控制模塊(ULPD)，用以控制OMAP3．2時鐘和控制OMAPl610進出多種電源管理模式。操作ULPD控制寄存器ULPD_POWER_CTRL，可以設置處理器電壓、管理運行模式。

　　3 嵌入式Linux動態電源管理軟件實現

　　嵌入式Linux已被廣泛應用在電源功耗敏感的嵌入式設備上，特別是移動手持設備；因此，設計高效、精細的電源管理技術是嵌入式Linux開發成功的關鍵技術之一。

　　3.1動態電源管理實現原理

　　系統運行在常見的幾種不同狀態，有不同電源級別要求，其中蘊涵著豐富的節能機會。狀態轉化如圖1所示。

　　①系統運行在任務、任務一、任務+中的任務狀態之一，可以響應中斷進入中斷處理，可以進入空閑或睡眠狀態。不同的任務要求不同的電源級別，例如播放MP3可以降低處理器的頻率，而運行在線互動游戲時則要求處理器全速運行，所以DPM需要在不同任務中提供電源管理服務。

　　②系統進入空閑，這時可以被中斷喚醒，處理中斷：DPM提供受管理的空閑模式，可以更智能地節省電源。

　　③系統在中斷處理完可以進入空閑狀態，或者從中斷中回到任務態。

　　④系統在任務狀態下可進入睡眠模式。系統可掛起到RAM或者其他存儲器中，關閉外設，實現最大限度地省電。通過特定事件(例如定義UART中斷)要求系統退出睡眠模式。

　　綜上所述，可以把動態電源管理分為平臺掛起／恢復、設備電源管理以及平臺動態管理等三類。平臺掛起／恢復目標在于管理較大的、非常見的重大電源狀態改變，用于減少產品設備在長時間的空閑之后，減少電源消耗。設備電源管理用于關斷／恢復平臺中的設備(平臺掛起／恢復以及動態管理中均要用到)；而平臺動態管理目標在于頻繁發生、更高粒度的電源狀態改變范圍之內的管理。系統運行的任務可以細分為普通任務和功率受監控的任務。前者電源狀態是DPM_NO_STATE，不作電源管理；后者對功率敏感，在被調度時(參見圖1)可以通過DPM來設置其電源管理狀態，要求運行在不同的電源級別。本文重點描述平臺動態電源管理和設備電源管理兩類，并將設備電源管理視為動態電源管理的組成部分