Linux电源管理系统结构详解

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任何系统的运转都需要能量。计算机系统依靠电能运行。而能量的获取是有成本的，因此如果能在保证系统运转的基础上，尽量节省对能量的消耗，就会大大提升该系统的生存竞争力。这方面，大自然已经做的很好了，如植 物的落叶，如动物的冬眠，等等。而在计算机的世界里(这里以运行 Linux OS 的嵌入式系统为例)，称作电源管理(Power Management)。

通俗的讲，电源管理就是：“想让马儿跑，不想马吃草”。不过，从能量守恒的角度，想让马儿跑多快、跑多久，就一定要让它吃相应数量的草。那么我们就退而求其次：“只在需要马儿跑时，才让它吃草”。这就是电源管理的核心思想。那方法呢?可以这样：

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方法 1：不需要马儿跑时，把它杀掉，这样就不吃草了。需要马儿跑时，再养一匹。

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在现实世界中，除了傻瓜，应该没人使用这种方法。因为重新养一匹马需要时间 ---- 我哪里等得及，需要草 ---- 有可能比养一匹闲马需要的更多。

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方法 2：不需要马儿跑时，让它睡觉，不能睁眼，不能动，不能叫。

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先不讲马儿是否愿意一直睡觉，这种方法只能减少马儿吃草的数量，因为它的心脏还在跳动、血液还在流通，这些也消耗能量。不过还好，需要马儿跑时，应该不需要等太久了。

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方法 3：不是说心脏跳动、血液流通也消耗能量吗?那把这些也停下来好了，能省多少是多少嘛。

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确实是好方法，不多得先去问问兽医，能不能搞定。不过以现在的医学水平，估计实现不了啊。

在计算机世界中，上面的方法是再平常不过的了，而且控制的远比这些精细。因为计算机是人类设计出来的，而马儿却是经上帝之手。不过通过马儿的例子，我们可以总结出电源管理的基本行为：

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a, 实时的关闭暂时不使用的部分(可称作“工作状态到非工作状态的转移”)。例如手机在口袋时，屏幕没必要亮。

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b, 当需要重新使用那些已关闭部分时(可称作“非工作状态到工作状态的转移”)，不能有太长时间的等待，且转移过程不能消耗太多的能量。上面的方法 1 就是一个反面教材，但在计算机的世界里，情况会好很多。

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2. Linux 电源管理的组成

电 源管理(Power Management)在 Linux Kernel 中，是一个比较庞大的子系统，涉及到供电(Power Supply)、充电(Charger)、时钟(Clock)、频率(Frequency)、电压(Voltage)、睡眠 / 唤醒(Suspend /Resume)等方方面面(如下图)，蜗蜗会在 Linux 电源管理系列文章中，对它们一一讲述。

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注 1：该图片只是一个示意图，并没有划分软件层次，因此模块之间的关系不一定是真正的关系。

在对图片中的这些组件(也可以称作 Framework)进行详细描述之前，先在这里了解一下基本概念。

注 2：Framework 是一个中间层的软件，提供软件开发的框架。其目有三：一是屏蔽具体的实现细节，固定对上的接口，这样可以方便上层软件的开发和维 护;二是尽可能抽象公共逻辑，并在 Framework 内实现，以提高重用性、减少开发量;三是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。

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Power Supply，是一个供用户空间程序监控系统的供电状态(电池供电、USB 供电、AC 供电等等)的 class。通俗的讲，它是一个 Battery&Charger 驱动的 Framework

Clock Framework，Clock 驱动的 Framework，用于统一管理系统的时钟资源

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Regulator Framework，Voltage/Current Regulator 驱动的 Framework。该驱动用于调节 CPU 等模块的电压和电流值

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Dynamic Tick/Clock Event，在传统的 Linux Kernel 中，系统 Tick 是固定周期(如 10ms)的，因此每隔一个 Tick，就会产生一个 Timer 中断。这会唤醒处于 Idle 或者 Sleep 状态 的 CPU，而很多时候这种唤醒是没有意义的。因此新的 Kernel 就提出了 Dynamic Tick 的概念，Tick 不再是周期性的，而是根据系统中定时器的情况，不规律的产生，这样可以减少很多无用的 Timer 中断

CPU Idle，用于控制 CPU Idle 状态的 Framework

Generic PM，传统意义上的 Power Management，如 Power Off、Suspend to RAM、Suspend to Disk、Hibernate 等

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Runtime PM and Wakelock，运行时的 Power Management，不再需要用户程序的干涉，由 Kernel 统一调度，实时的关闭或打开设备，以便在使用性能和省电性能之间找到最佳的平衡

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注 3：Runtime PM 是 Linux Kernel 亲生的运行时电源管理机制，Wakelock 是由 Android 提出的机制。这两种机制的目的是一样的，因此只需要支持一种即可。另外，由于 Wakelock 机制路子太野了，饱受 Linux 社区的鄙视，因此我们不会对该机制进行太多的描述。

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CPU Freq/Device Freq，用于实现 CPU 以及 Device 频率调整的 Framework

OPP(Operating PeRFormance Point)，是指可以使 SOCs 或者 Devices 正常工作的电压和频率组合。内核提供这一个 Layer，是为了在众多的电压和频率组合中，筛选出一些相对固定的组合，从而使事情变得更为简单一些

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PM QOS，所谓的 PM QOS，是指系统在指定的运行状态下(不同电压、频率，不同模式之间切换，等等)的工作质量，包括 latency、timeout、throughput 三个参数，单位分别为 us、us 和 kb/s。通过 QOS 参数，可以分析、改善系统的性能

3. Kernel 中电源管理相关的 Source code 汇整

在蜗蜗使用的 Linux 3.10.29 版本的内核中，电源管理有关的 Source code 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