- 討論基于SEP0611的電源管理驅動設計方案
- 通過驅動層使外圍設備進入相應的suspend狀態(tài)
- 測試板采用4路LDO供電
引言
系統(tǒng)休眠是嵌入式系統(tǒng)除關機外最省電的一種狀態(tài)。休眠（Suspend, STR （Suspend To RAM ）） ,又稱為掛起或者掛起到內(nèi)存，會將目前的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存，并關閉硬盤、外設等設備，進入等待狀態(tài)，此時除了內(nèi)存仍然需要電力維持其數(shù)據(jù)，整機其余部分耗電很少。
恢復時處理器從內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)，回到掛起前的狀態(tài)，恢復速度較快。一般在電池無故障且充滿電的情況下可以維持這種狀態(tài)數(shù)天之久。
1 SEP0611和電源管理單元硬件設計
SEP0611是東南大學自主研發(fā)的一款基于UniCore32內(nèi)核的32位高性能、低功耗RISC微處理器，是定位于手持播放設備、衛(wèi)星導航產(chǎn)品的高性能處理器。主要分為五個部分：系統(tǒng)與時鐘控制、外設接口、多媒體系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)與時鐘控制部分包含了電源管理單元（Power Management Unit, PMU）的設計。
PMU包括時鐘控制和功耗控制兩部分。功耗控制主要負責在各個工作模式下的切換，進入低功耗模式后的喚醒，以及系統(tǒng)的復位控制。系統(tǒng)工作模式主要分為三種：正常工作模式、掛起模式、休眠模式。
2 Linux APM技術
圖1 Linux APM技術架構圖
圖1是APM技術在Linux中的架構圖。用戶通過用戶態(tài)的APM接口或策略向BIOS申請休眠請求，BIOS設備接收到用戶層的休眠請求后會調(diào)用內(nèi)核低功耗層的接口函數(shù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)進入休眠的一系列操作；在接收到喚醒信號后內(nèi)核低功耗層會執(zhí)行喚醒操作，與此同時低功耗層也會調(diào)用外設驅動的電源管理接口讓設備跟隨系統(tǒng)實現(xiàn)喚醒。SEP0611無BIOS,系統(tǒng)喚醒后會回到bootloader執(zhí)行。
3 系統(tǒng)休眠的內(nèi)核層分析與驅動設計
Linux系統(tǒng)休眠內(nèi)核層是整個休眠部分的核心。它將接受上層休眠命令，并通過驅動層使外圍設備進入相應的suspend狀態(tài)等，在得到喚醒信號后將恢復狀態(tài)繼續(xù)運行。它包括了體系結構無關的部分：當前進程的凍結/釋放，管理外圍驅動；也包括了體系結構相關的部分：讓處理器進入/退出休眠，DDR進入自刷新指令序列，系統(tǒng)狀態(tài)保存/恢復等。本小節(jié)由休眠準備，休眠進入和休眠退出，完成喚醒三部分組成。
3.1 休眠準備
在本文中，將suspend_prepare函數(shù)、suspend_devices_and_enter函數(shù)中的大部分內(nèi)容劃分為休眠準備部分。
suspend_prepare函數(shù)的主要作用如下：
（1） 用一個全局變量保存好控制臺。
（2） 執(zhí)行pm_noTIfier_call_chain函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用notifier_call_chain函數(shù)來通知事件（將休眠）的到達。
（3） 凍結進程，這通過freeze_processses函數(shù)實現(xiàn)。
在suspend_devices_and_enter函數(shù)中執(zhí)行剩余的休眠準備工作：
（1） 調(diào)用suspend_ops->begin.
（2） 調(diào)用suspend_cONsole函數(shù)獲取控制臺信號量以休眠控制臺。
（3） 調(diào)用dpm_suspend_start函數(shù)，該函數(shù)分為兩步。
首先調(diào)用device_prepare,該設備準備函數(shù)通常無操作；然后調(diào)用device_suspend函數(shù)，使設備驅動進入休眠模式。
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在該函數(shù)中，系統(tǒng)會遍歷dpm_active鏈表，為該鏈表上的每個驅動調(diào)用suspend函數(shù)（該函數(shù)負責掛起設備驅動），正常返回后會將其移至dpm_off鏈表隊列。至此，已完成休眠準備部分的工作。下面以音頻驅動為例展示設備驅動suspend函數(shù)的填寫（函數(shù)頭略）：
int i;
volatile unsigned long *p_regs = i2s_info.base;
i2s_regs = kmalloc（（I2S_PM_REGS_NUM 《 2），
GFP_KERNEL）；
if（i2s_regs == NULL）
return -ENOMEM;
for（i=0; i<I2S_PM_REGS_NUM; i++）
i2s_regs[i] = *p_regs++;
clk_disable（i2s_info.clk）；
return 0;
這段代碼主要實現(xiàn)：保存音頻設備硬件寄存器；禁止音頻設備時鐘。
3.2 休眠進入和休眠退出
完成了進入休眠的準備工作，接下來就是進入休眠。
suspend_enter是休眠進入函數(shù)，該函數(shù)將調(diào)用suspend_ops->enter（state），調(diào)用該函數(shù)即是調(diào)用SEP0611驅動接口函數(shù)sep_pm_enter;該接口函數(shù)在sep_pm.c中實現(xiàn)。該文件將保存在CPU寄存器，將休眠代碼搬運到sram中，然后系統(tǒng)在sram中執(zhí)行休眠代碼，先讓DDR進入自刷新狀態(tài)，而后處理器進入sleep模式。當系統(tǒng)處于休眠模式時，一旦接收到喚醒事件的中斷，如內(nèi)部的RTC ALARM中斷或者外部的Wakeup按鍵信號才能夠讓系統(tǒng)退出休眠，即喚醒系統(tǒng)。綜上，進入/退出休眠的代碼流程圖如圖2所示。
圖2 進入/退出sleep模式的代碼流圖
在圖2中的休眠進入部分，保存CPU各模式狀態(tài)之后，跳轉到sram執(zhí)行DDR2的自刷新和休眠的進入，而這段代碼（DDR2的自刷新和休眠的進入）此前已由copy_func_to_sram函數(shù)搬運至sram中；而跳轉通過將sram的物理地址靜態(tài)映射到linux內(nèi)核（在對應架構的mm.c中）實現(xiàn)。
此后，系統(tǒng)處于休眠（sleep）模式，直至喚醒信號的到來。
SEP0611中可用的喚醒信號有：電源鍵、RTC的ALARM中斷、外部GPIO（AO）口。一旦喚醒信號到來，即是該執(zhí)行休眠退出部分了。PMU硬件部分將讓系統(tǒng)重新上電，而軟件則回到bootloader部分執(zhí)行，在bootloader中有一段分支代碼，該部分代碼判斷是一次正常啟動還是一次從休眠的喚醒，若是后者，則恢復CPU各模式狀態(tài)，此后回到linux操作系統(tǒng)。需要說明的是，在進入休眠部分的保存CPU各模式狀態(tài)之前，PC值（用于返回的地址，實際保存的是PC值加上0x10（合4條指令））已經(jīng)被保存到一個硬件寄存器中；因此，在退出休眠部分的恢復CPU各模式狀態(tài)之后，將PC值從硬件寄存器取出，通過其使程序回到linux操作系統(tǒng)執(zhí)行。
3.3 完成喚醒
上面講到了程序回到linux系統(tǒng)執(zhí)行后，休眠內(nèi)核層將通過suspend_devices_and_enter函數(shù)中位于調(diào)用suspend_enter之后的部分和suspend_finish函數(shù)完成與休眠準備相逆的操作。
首先在suspend_devices_and_enter函數(shù)中執(zhí)行以下完成喚醒的工作：
（1） 調(diào)用dpm_suspend_end函數(shù)，該函數(shù)分為兩步。
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首先調(diào)用設備喚醒函數(shù)device_resume,該函數(shù)會遍歷dpm_off 鏈表隊列，依次調(diào)用該隊列上設備驅動的resume函數(shù)，讓驅動恢復正常工作模式，并將其從dpm_off 隊列恢復至dpm_active 隊列。然后調(diào)用device_complete函數(shù)，該函數(shù)通常無操作。下面仍以音頻驅動為例展示設備驅動resume函數(shù)的填寫（函數(shù)頭略）：
int i;
volatile unsigned long *p_regs = i2s_info.base;
clk_enable（i2s_info.clk）；
init_i2s_gpio（）；
for（i=0; i<I2S_PM_REGS_NUM; i++）
*p_regs++ = i2s_regs[i];
kfree（i2s_regs）；
i2s_regs = NULL;
return 0;
這段代碼主要實現(xiàn)：
（1） 使能音頻設備時鐘；初始化音頻相關的GPIO口；恢復音頻設備硬件寄存器。
（2） 調(diào)用resume_console函數(shù)釋放控制臺信號量以喚醒控制臺。
（3） 調(diào)用suspend_ops->end.
其次suspend_finish函數(shù)完成與suspend_prepare函數(shù)相逆的操作：
（1） 喚醒進程，通過thaw_processses函數(shù)實現(xiàn)。
（2） 執(zhí)行pm_notifier_call_chain函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用notifier_call_chain函數(shù)來通知事件（完成喚醒）的到達。
（3） 從全局變量恢復控制臺。
至此，系統(tǒng)完成喚醒，且系統(tǒng)中所有的設備驅動能正常工作。
4 驅動驗證
4.1 驗證環(huán)境和方法
驅動驗證在江蘇東大集成電路有限公司生產(chǎn)的功耗測試板上進行，該測試板編號為：SEUIC東集PCB602_DEMO0611,生產(chǎn)日期為2011.05.13.測試時：CPU運行在800MHz,AHB總線運行在180MHz,DDR運行在400MHz;測試板采用4路LDO供電，4路分別為core、arm、ddr_phy、cpu_io.測試方法為：1） 用萬用表的毫安檔測試電流，每測一路，要將該路的0Ω電阻吹掉，將萬用表串入電路，同時保證其他路的0Ω電阻連接。2）通過操作linux操作系統(tǒng)中sysfs文件系統(tǒng)提供的接口讓測試板進入休眠，即是在終端輸入命令：echo mem > sys/power/state.3） 通過電源鍵（或RTC定時中斷）喚醒系統(tǒng)，喚醒后驗證設備驅動功能。
4.2 驗證結果
測試的0Ω電阻上的電流值如表1所示。b-s（mA）列代表系統(tǒng)休眠之前某電阻上的電流值；i-s（mA）列代表系統(tǒng)休眠之時某電阻上的電流值；a-s（mA）列代表系統(tǒng)完成喚醒時某電阻上的電流值；最后一列除了包含了上面提到了4路外，還包含DDR顆粒（ddr_mem）和外設（io）這兩路。
表1各0Ω電阻上的電流值
在休眠之前和完成喚醒后，系統(tǒng)都處于空閑模式。
phy、cpu_io這四路的電流下降為0,因為這4路電壓都為0,而此時DDR顆粒和外設上分別有14mA和17mA的電流。在測量各路電流的同時，還采用穩(wěn)壓源供電，測試了板級總電流：系統(tǒng)休眠之前的板級總電流為287mA,休眠之時為23mA,完成喚醒時為284mA.
在系統(tǒng)完成喚醒后，測試了系統(tǒng)中所有設備驅動的工作情況：系統(tǒng)中的包括TIMER、CPU這樣的系統(tǒng)設備工作正常；系統(tǒng)中的外設驅動包括UART、LCDC、I2C、I2S、SDIO、NAND、USB等都能正常工作。
5 結論
由于在系統(tǒng)休眠時4路LDO的掉電和除常開區(qū)外各路時鐘的切斷，系統(tǒng)休眠的電流降到了23mA.這個數(shù)值為系統(tǒng)運行時的8%,大大降低了系統(tǒng)的功耗。目前的休眠電流主要消耗在DDR顆粒和外部io上，這都有改進的空間，例如：可以通過配置DDR控制器優(yōu)化DDR時序、打開DDR的低功耗模式；采用具有更低功耗的DDR3顆粒；可以檢查整板電路，是否在測試板休眠時有回路導致電流泄漏；可以檢查io電路，等等。總體來說，本設計實現(xiàn)了SEP0611處理器板級的休眠和喚醒、所有設備驅動的休眠和喚醒；完成了電源管理驅動的設計；并在功耗測試板上驗證了驅動的正確性。這對以后管理、降低SEP0611平臺的整板功耗有重要意義，對其他平臺下的電源管理驅動也有一定的借鑒意義。
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