摘 要：功耗是嵌入式設備的一個十分重要的性能指標。在硬件設計和選型之后，功耗水平在極大程度上取決于軟件的設計。鑒于Lioux在嵌入式設備中的應用日益廣泛，提出在嵌入式Linux下軟件編寫的幾種策略。通過這些軟件編寫方式，能有效降低最終產品的功耗水平。
關鍵詞：嵌入式Linux功耗策略

引 言
由于Linux系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)需要的很多特色，如適應于多種CPU和多種硬件平臺、性能穩(wěn)定、可裁剪性很好、源碼開放、開發(fā)和使用簡單等。目前，基于Linux應用的嵌入式設備日益增多，Linux正在嵌入式領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

對于嵌入式設備尤其是移動設備來說，功耗是系統(tǒng)的重要指標，系統(tǒng)設計的重要目標之一就是要盡可能地降低功耗。目前，對功耗的研究主要集中在硬件解決方案上，而軟件研究方面很少。實踐證明：在硬件設計和選型確定后，功耗的高低與軟件設計有很大的關聯(lián)性。軟件設計和編程質量的好壞，極大地影響著最終產品的功耗水平。據此，為降低功耗，提出在嵌入式Linux下軟件編程的幾種策略。

1 問題分析
因為最終耗能的是硬件，所以在考慮采用軟件方法降低功耗的時候，要充分考慮硬件的功能和性能，即在保障系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎上怎樣組織硬件運作而使功耗降低。全速執(zhí)行、待機和睡眠等行為都是利用CPU的固有能力，透過降低工作電壓或頻率來節(jié)省功耗。此外，在大多數(shù)用戶察覺不到的情況下，實際的電源管理能夠根據負載狀況逐漸改變系統(tǒng)的狀態(tài)，有時這種情況在l s之內可以產生數(shù)百次。

另外，在編寫程序時可能會遇到這樣的情況，如記錄狀態(tài)寄存器內容，并等待設定標記出現(xiàn)；檢查串口的FIFO狀態(tài)標記，看是否收到數(shù)據；監(jiān)測一個雙端口存儲器，以確定系統(tǒng)中是否有另外CPU寫入了一個變量，以便控制共享資源。從表面上看，這樣的代碼沒有什么問題，但在每個時鐘周期里不斷記錄寄存器狀態(tài)將無法有效延長設備的電池壽命。

基于這些問題，下面提出幾種策略，以有效降低最終產品的功耗水平。

2 利用Linux內核的電源管理
電源管理策略的基礎是調整處理器內核的工作電壓和頻率。不過，現(xiàn)代的嵌入式CPU具有非常高的電源效率，以至于CPU并不總是最主要的耗能組件。其他高耗能的組件包括高性能內存、顯示屏和射頻接口等，因此，如果電源管理系統(tǒng)只能調節(jié)CPU內核的電壓和頻率，那么它的用途將有限。一個真正有效的電源管理方案應該可以采用與CPU內核執(zhí)行相協(xié)調或相獨立的方式，支持對一系列電壓和頻率的快速調節(jié)。

Linux支持兩種電源管理標準：APM(AdvancedPower Managememt)和ACPI(Advanced Configtlrationand P0wer Interface)。APM是傳統(tǒng)的高級電源管理方案，目前仍然使用在許多基于Linus便攜式設備中；而ACPI則提供了更為靈活的電腦和設備管理接口。這兩個標準不能同時運行。缺省情況下，Linux運行ACPI。APM可以使機器處于Suspend(懸掛)或Standby(待機)狀態(tài)，以及檢查電池容量；而ACPI還可以使外設(如顯示器、PCI)單獨斷電，在節(jié)省電能方面有更多的控制。為了讓電源管理功能生效，需要在Linux內核打開它，并且在Linux里加載必需的應用軟件。

電源管理活動需要對操作系統(tǒng)內核和設備驅動程序進行特殊的干預。在嵌入式Linux中，雖然低層電源管理駐留在操作系統(tǒng)內核中，但電源管理策略和機制來源于中介軟件和用戶應用程序代碼，如圖l所示。

Linux內核中電源管理機制負責維持整個系統(tǒng)的電源狀態(tài)。它可以看成是為驅動程序、中介軟件和應用程序提供服務的元素。

通過在驅動程序中實現(xiàn)電源管理接口，可以讓驅動程序密切監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。它們在外部事件的驅動下，透過設定不同的狀態(tài)反映設備的工作情況。為了實現(xiàn)設備電源管理接口，需要實現(xiàn)以下操作：
①使用pm_register對設備的每個實例(instance)進行注冊；
②在對硬件進行操作之前調用pm_access(這樣可保證設備已被喚醒，并處于ready狀態(tài))；
③用戶自己的pnl_callback函數(shù)在系統(tǒng)進入suspend狀態(tài)，或者從suspend狀態(tài)恢復的時候會被調用；
④當設備不使用時調用pm_dev_idle函數(shù)(這個操作是可選的，以增強設備idle狀態(tài)的監(jiān)測能力)；
⑤當被unIoad的時候，使用pm_unreggister取消設備的注冊。

中介程序允許用戶預先定義某些策略，然后跟蹤電源狀態(tài)，執(zhí)行特定的操作。

在應用程序中，利用中介程序提供的API，設立其基本的約束條件，強迫電源管理機制產生與其執(zhí)行需求相匹配的變化。Linix電源管理的實現(xiàn)機制包括以下API，例如dpm_set_os()(內核)、assert_constraint()、remove_constraint()和set_operatInK―state()(內核和驅動程序)、set_policy()和set_task_state()(經系統(tǒng)的用戶級調用)以及／proc接口。

3 在空閑模式下等待事件
很多嵌入式CPU都具有能降低功耗的電源工作模式，最常用的是空閑模式。此時CPU內核指令執(zhí)行部分關閉，而所有外設和中斷信號仍處于工作狀態(tài)。由于空閑模式比CPU執(zhí)行指令時的功耗要小得多，因而可以在任何時候，只要Linux檢查到所有線程都處于阻塞狀態(tài)(如等待中斷、事件或定時時間)，它都可以將CPU置于空閑模式。任何中斷(如觸摸屏事件、按下按鍵事件等)都能把CPU從空閑模式中喚醒，然后繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼。如果事件不能直接連接到外部中斷，也可以用一個系統(tǒng)定時器定期喚醒CPU。例如在等待一個事件并且知道只要事件發(fā)生后在10 ms內能檢測到，那么可以啟動lO ms定時器，并把CPU置于空閑模式。每次處理定時中斷時都要檢查事件狀態(tài)，如果狀態(tài)沒有變化，就立刻回到空閑模式。

4 減少事件
通常CPU的定時中斷間隔為1 ms，Linux會頻繁使CPU置于空閑模式，并一直維持到被中斷喚醒。在這種情況下，最有可能喚醒CPU中斷的是定時器中斷本身。即使所有其他線程被阻塞，在其他中斷、內部事件及長時間延遲之前，定時器中斷也會以每秒l 00()次的頻率把CPU從空閑模式中喚醒，以運行調度程序。就算調度程序確定所有線路都被阻塞，并很快將CPU回復到空閑模式，這樣頻繁操作也會浪費大量電源。因此，應盡可能長時間地將CPU置于空閑模式，而減少事件是解決這個問題的有效途徑。通過分析代碼和系統(tǒng)要求，以決定是否能改變處理中斷的方式實現(xiàn)。例如，可以在進入空閑模式前關閉時隙中斷信號，只有再次出現(xiàn)中斷信號時才被喚醒。不過，這種做法通常不太合適。盡管多數(shù)阻塞的線程可以直接或間接等待外部中斷，有些還依賴于定時中斷，如一個驅動器會在等待外設時睡眠500 ms，這時空閑模式下如果完全關閉系統(tǒng)定時器，可能意味著線路不能按時恢復工作。

Linux最好能為調度程序進行可變超時設定。Lintux知道每個線程無法確定等待的是外部還是內部事件，或者計劃在某特定時間再次運行。Linux可算出第一個線程預定何時運行，并相應地在CPU置于空閑模式之前設定定時器工作。可變超時設定不會對調度程序造成很大的負擔，但卻能節(jié)省電源和處理時間。

可變計劃超時限定只是減少事件的一種方法，存儲器直接存取(DMA)也可讓CPU長時間處于空閑模式，即使數(shù)據正在發(fā)送至外設或從外設收取。所以只要可能，都應在外圍驅動器中使用DMA，省電效果相當令人滿意。

例如英特爾公司StrongARM CPU串口接收FIF0時，大約每收到8個字節(jié)發(fā)生1次中斷，在115 2OO bps．速度下，發(fā)送到這個端口的11 KB脈沖數(shù)據會引起CPU內核每秒中斷l(xiāng) 500次，很可能使其從空閑模式中喚醒；但如果實際上不需要在這些小的8字節(jié)設備中處理數(shù)據，浪費是很驚人的。DMA最好與大容量緩沖器一起使用，以使中斷發(fā)生的水平更加容易管理，或許是每秒10次或l00次，讓CPU在兩次中斷之間空閑。事實證明，在這些場合應用DMA能減少使用率達20％，可降低CPU功耗，并提高供其他線程使用的CPU帶寬。

5 控制CPU的性能
CPU在降低功耗方面的最新進展表明，CPU消耗的能量與驅動CPU的時鐘頻率以及應用其內核上的電壓平方成正比。

CPU允許動態(tài)降低時鐘速度。降低一半時鐘速度，功耗將成比例下降。但是僅采用這種技術實現(xiàn)節(jié)能，還需要一些技巧．因為執(zhí)行的代碼可能要兩倍長的時間才能完成，即使這樣也不會省電。例如，板上LCD控制器需要使用一個儲存在片外SDRAM中的幀緩存。當LCD控制器工作時，需要指定足夠高的內存總線頻率來滿足顯示器刷新速率的需要。在LCD不工作的情況下(例如當PDA僅作為MP3播放器使用時)，降低SDRAM總線頻率，可以節(jié)省整個系統(tǒng)的功耗。

動態(tài)降低電壓是另一種做法。越來越多的CPU允許降低電壓，以適應CPU時鐘速度的下降，這樣在降低時鐘速度時也能省電。事實上，只要CPU不飽和，頻率和電壓就能不斷減少，這樣還是能完成工作，而消耗的電源總體上卻比較低。

考慮到并不是所有線程都消耗同樣多CPU帶寬，所以即使這些方法也還是可以改進的。有效應用CPU帶寬的線程，會隨著CPU時鐘速度下降而花更長的時間才能完成，這些線程使用分配給它們的每一個周期。另一方面，I／O線程采用分配給它的所有CPU周期，即便CPU時鐘速率下降，也要用同樣長的時間才能完成。例如，像很多PDA使用的PCMCIA卡接口，當數(shù)據寫人快閃存儲卡時，系統(tǒng)瓶頸不是CPU的速度，而是物理總線接口以及卡的固件為擦掉和重新編程閃存所花的時間。理想情況下，前面討論的等待事件的技術可在這里應用，以最大程度降低功耗，但是等待時間經常變化很大，遠小于操作系統(tǒng)運行時間，這樣會影響到性能。這些驅動程序常常檢測狀態(tài)寄存器，此時降低時鐘速度將節(jié)省一部分電源，但會對數(shù)據寫入卡的時間產生輕微影響。

使用控制CPU性能的策略，要知道何時能降低時鐘頻率和電壓而不會顯著影響性能；考慮什么時候降低驅動器和應用程序的時鐘速度比較難處理。這在多任務處理環(huán)境中更加富有技巧性。

6 結 論
近年來隨著計算機和網絡通信、消費電子合一的加速發(fā)展，嵌入式產品成為信息產業(yè)的主流。Linux在短短的十幾年時間已經發(fā)展成為功能強大設計完善的操作系統(tǒng)之一，可運行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多種硬件平臺上，而且開放源代碼，并可以定制，越來越多的企業(yè)和研發(fā)機構都轉向嵌入式Linux的開發(fā)和研究上。本文在系統(tǒng)分析的基礎上，研究了在嵌入式Linux系統(tǒng)中通過優(yōu)化軟件編寫機制來降低最終產品功耗水平的方法，具有很強的實際應用意義。隨著研究的深入，嵌入式Linux必將顯示出其在低功耗方面的優(yōu)越性，將有更多的嵌入式設備普及Linux應用。