[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适時的進出休眠狀态.比如使用者按下On/Off按鈕,或者監視使用者活動的定時器逾時,或者應用呼叫 api都可以使得系統休眠,使用者再次按下On/Off或者其他喚醒中斷将使得系統退出休眠.進而可見,電源管理子產品和使用者活動情況密不可分,電源管理是用 戶活動所驅動的. WinCE中處理使用者與系統互動的部分是GWES,是以早期電源管理工作是由GWES來實作.( GWES:Graphics,Windows and Events Subsystem.圖形,視窗和事件子系統.主要負責圖形輸出和使用者互動). 但GWES提供的電源管理子產品功能過于粗糙死闆:所有子裝置隻能有On和Suspend狀态,應用程式無法得到任何狀态轉換通知,等等……直到 WinCE4.0才引入了電源管理子產品用以替代GWES中的電源管理功能.(進一步的,為了友善電源管理子產品的集中管理,還需要關閉原來GWES對電源管 理功能.方法是系統資料庫HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Power設定 DisableGwesPowerOff=1來禁止GWES插手電源管理.系統是預設禁止的.此外,一些使用者活動情況仍舊依賴GWES獲得,設定系統資料庫 HKLM/system/GWE下的ActivityEvent=PowerManager/ActivityTimer/UserActivity.從 而告訴GWES,當滑鼠,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子產品.)
新的電源管理子產品提供更完整和靈活的功能,系統電源可以自由靈活設定,子裝置電源狀态可以單獨設定,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态,比如On,ScreenOff,UserIdle,SystemIdle,Suspend等.系統電源狀 态更多的是代表系統電源的一種配置方案,它是各個子裝置電源配置的集合.它設定一種可能出現的情景,并且事先拟定了此情景下電力配置設定政策(哪些子裝置打 開,哪些子裝置關閉).比如,也許On可以代表正常工作的情景,所有子裝置打開的狀态; ScreenOff可以代表LCD被使用者請求關閉的情景,LCD背燈電源被關閉的狀态; UserIdle可以代表使用者一段時間沒有操作的情景,cpu/soc将進入low power的狀态; Suspend可以代表裝置空閑很久了可以挂起的情景,所有非必要供電的子裝置電源關閉的狀态;等等…系統的電源狀态的定義很靈活而且自由. 可以在系統資料庫定義系統電源狀态.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狀态,Flags是附加的狀态資訊(hints),對應pm.h中的宏定義POWER_STATE_ON.defaule表示在這個 狀态下所有子裝置的預設狀态.
電源管理子產品的重點之一是制訂系統電源管理政策,這包括定義系統電源狀态,決定狀态間轉換的條件.以預設的版本為例子,簡單圖示如下:
子,簡單圖示如下:
On:使用者與系統互動時候的狀态.
UserIdle: 代表使用者停止輸入,但可能仍然在使用的情景,比如閱讀檔案.
SystemIdle: 代表使用者停止使用裝置,但處理器仍然工作的情景,比如,背景檔案傳輸.
Suspend: 代表休眠狀态.
使用者在使用時候,系統處于On狀态,使用者停止輸入,系統自動轉入UserIdle狀态,持續沒有輸入時間後,進入SystemIdle狀态,持續一 段時間後,系統将自動進入Suspend狀态.應用程式也可以調用SetSystemPowerState()來進行狀态切換.
在這個基礎上,根據自己的平台特點,增加新的政策就基本可以滿足正常産品需要.
1. On/Off按鍵. (A).電源管理子產品已經支援了電源按鍵功能,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 管理子產品來通知按鍵事件.(C).使用api直接轉換狀态.即不使用電源管理子產品提供的按鍵功能,直接調用SetSystemPowerState使得系 統進入Suspend狀态.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将系統電源轉換到Suspend.
2. 加入背燈控制.比如在On狀态下打開請求顯示驅動打開背燈,在UserIdle和SystemIdle狀态下請求顯示驅動關閉背燈.
[裝置電源]
支援電源管理的裝置驅動的實作,存在有大量的例子.簡單介紹如下:
電源管理子產品并不直接實作對子裝置的電源開關控制,子裝置的電源控制是由各個裝置驅動來控制的.電源管理子產品透過裝置驅動的IOCTLs來請求裝置 控制自身電源.系統電源狀态是靈活自由設定的,而裝置電源狀态是固定的,最多有5個:D0,D1,D2,D3,D4代表Full on,Low on, Standby, Sleep, Off這5個狀态.
不是所有的裝置驅動都支援電源管理(至少,在電源管理出現前的早期的裝置驅動不會支援).電源管理子產品對裝置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.對于流驅動控制的裝置,要支援電源管理要滿足的條件,簡單來說有:1.聲明自己是支援電源管理的(Iclass值).2.驅動中實作電 源管理子產品所要求的IOCTLs.3.驅動加載時候要彙報所支援的電源狀态和相關特征.4.***_PowerDown和***_PowerUp接口接收 系統休眠和喚醒通知.此外,設計驅動還應該了解:裝置不一定具備所有5種狀态,但至少可以工作在D0;電源管理子產品可能會要求裝置進入任何裝置電源狀态, 并不僅僅是裝置所彙報自己支援的那幾個;如果被要求進入不支援的狀态,應該進入另一個它所支援的更高功耗的狀态;目前狀态不需要重複設定;裝置電源狀态不 一定和系統的電源狀态同步.除了流驅動外,還有許多内建驅動需要支援電源管理功能.簡單總結:1.顯示驅動通過ExtCode接口 (SETPOWERMANAGEMENT指令,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.内建網絡miniport驅動是 MiniportReset接口.5.PCMCIA驅動是PowerUp和PowerDown.還有列印機,紅外等一些内建驅動.
[OAL對電源管理的支援]
[系統的 idle狀态]
當沒有線程準備運作時候,核心就調用OEMIdle().這個函數在bsp中,可以由OEM來修改定制.一般我們在這個函數裡面會要求cpu進入 low power狀态節省電流消耗.一般的cpu/soc都提供了對應idle的睡眠模式.當中斷發生或者喚醒事件發生時候,要保證cpu快速離開idle狀 态,傳回運作狀态.
系統idle狀态和前面說的UserIdle狀态是不同概念,前者是cpu負荷情況驅動,代表系統空閑;後者是使用者活動驅動,代表使用者空閑.
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
中斷發生
判斷喚醒源
更新CurMSec, idle計數值.
[系統suspend狀态]
當使用者按下OFF按鈕或者應用調用api進入suspend狀态時候,核心會調用OEMPowerOff()函數.在OEMPowerOff()函 數裡面實作系統挂起,并且系統喚醒後繼續從OEMPowerOff()被挂起處執行. OEMPowerOff()時候要進入睡眠模式,睡眠模式根據cpu晶片的sleep模式來選擇,要選擇最低功耗的模式.如果cpu晶片提供的最低功耗模 式是PowerDown模式,處理工作比較複雜,因為喚醒後是從reset處開始執行,要恢複挂起時候的環境,使得應用程式不知道自己被挂起過.一般按照 這樣流程來處理:關屏,清framebuffer, 儲存必須的寄存器到記憶體, 設定io, 儲存通用寄存器, 儲存wakeup位址, 靜止中斷,清除cache, 使能喚醒源中斷, 設定sdram自重新整理, cpu進入PowerDown. 喚醒後的流程相反即可. 對于PowerDown模式之外的其他模式,比如慢時鐘模式, 處理則簡單很多,最重要的是設定喚醒源(一般是任何中斷可喚醒), sdram進入自重新整理狀态.
[SDRAM的控制]
SDRAM的耗電比較大,一般是系統裡面除了lcd背光外,sdram是最大的電力消耗裝置.常見有mobile sdram和normal sdram這2種,mobile sdram相對于normal sdram增加了溫度補償自重新整理,局部陣列自重新整理,深度休眠特性,更加适合功耗限制裝置,(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未必适合,因為總線會增加很多電平轉換的電路.)
在OEMPowerOff()函數裡面,儲存好目前環境到sdram,然後使得sdram進入自重新整理狀态,cpu就可以進入最低功耗的sleep模 式.喚醒後需要退出自重新整理狀态.
[應用層于電源管理]
電源管理子產品也提供了應用層接口,使得應用程式也可以參與到電源管理.
應用層可以通過SetSystemPowerState()來設定系統電源狀态,可以通過SetDevicePower來設定子裝置電源狀态,可以 通過SetPowerRequirement通知電源管理子產品将子裝置設定在特殊電源狀态下,不随系統電源改變.此外,電源管理還提供了消息隊列,應用層 還可以通過RequestPowerNotifications函數請求電源管理子產品發送相關消息(PBT_RESUME, PBT_POWERSTATUSCHANGE, PBT_TRANSITION, PBT_POWERINFOCHANGE).
設計應用程式也許有幾點值得考慮:不要無謂占用cpu,盡可能快的讓出cpu.比如一個很小的動畫,哪怕隻占1%的cpu也會導緻一些系統無法進入 低功耗.這裡是2點建議:(1)當應用不在foreground時候,停止占用cpu.(2)使用者沒有和應用互動時候,停止應用對cpu的占用.另外一些 應用也許是相反情況的,播放媒體檔案時候,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 者設定所有定時器為0,停止電源管理(tcpmp就是這樣的).
[電源管理的系統實作]
電源管理子產品實體是一個動态連結庫pm.dll來實作的.可以在pb的catalog視窗中選擇電源管理元件添加到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全功能實作,第二個代表空實作(形式上提供接口,但空函數).
電源管理子產品的代碼結構是分層的,MDD PDD.MDD是抽象公共庫,不需要改動,PDD是平台相關,主要改動都在PDD.針對平台特性,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.預設的情況,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版本的主要差別:
default版本定義了4種狀态:On, UserIdle, SystemIdle, Suspend;
PDA版本定義了On, ScreenOff, Unattended, Resume, Suspend.
default版本的簡單描述:UserIdle狀态是描述使用者在使用但沒有操作,比如閱讀.SystemIdle狀态描述使用者停止使用,但系統仍 然工作,比如檔案傳輸.
PDA版本簡單描述:ScreenOff狀态描述使用者請求把螢幕背燈關閉.是使用者主動關閉的情況,差別于UserIdle,UserIdle是自動 的.Unattended狀态表示背景工作,使用者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狀态描述喚醒後情景,比如喚醒後在指定時間内決定轉到哪個狀态,否則繼續suspend.
[定制電源管理子產品的方法]
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元件,或者檢查SYSGEN_DEVICE變量.其次,仍舊應該選擇上圖的電源管理元件power management full.
方案一(推薦方案):在bsp的驅動目錄中建立一個pm目錄,在這裡完成電源管理子產品PDD部分的實作,并連結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,主要修改是增加狀态轉換的動作執行單元.
方案二:完全不修改電源管理部分,因為預設的PDD在狀态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 進行狀态轉換.這樣作法不如方案一直接.如果是程序實作,還浪費一個寶貴程序資源.
[影響系統功耗各方面考慮]
1.系統時鐘周期
典型的WinCE系統時鐘周期是1ms,增加時鐘周期有助進一步降低裝置功耗.在OEMInit()àOALTimerInit()修改系統時鐘.
2.可變系統時鐘節拍Variable Tick Scheduler
典型設計裡wince每毫秒産生系統時鐘中斷,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狀态.這樣在預期的時間段裡,idle狀态不會被無謂的系統時鐘中斷喚醒.
3.LCD背燈的調節政策
早期的設計使用一個獨立的驅動來實作背燈的控制和調節政策.簡單介紹背燈驅動原理:背燈驅動啟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(使用者輸入事件)
從系統資料庫中讀取逾時值,當逾時事件發生,則将系統背燈關閉.背燈關閉期間,使用者重新活動時候,發生第3個事件,則打開背燈.系統資料庫的逾時值決定了背 燈工作時間.類同pc上設定螢幕保護時間.此外,背燈驅動也需要提供對系統電源狀态切換的支援.power down時候要關閉背燈,power up時候打開背燈.
電源管理子產品可以定義一種系統電源狀态來描述背燈關閉的情景(比如在UserIdle或者ScreenOff狀态時候關閉背燈,On狀态時候打開背 燈)是以,背燈驅動可以被取消.
4.IO口的漏電流
空載IO避免設定成為輸入口,考慮懸空輸入導緻門電路開關,造成電流消耗.負載IO依照情況設定,一般設定輸出低.
5.電池驅動
電池驅動最主要的功能是監視系統電力.它提供了其他子產品和應用對系統電源狀态的查詢,查詢是AC,還是battary供電,查詢電池電量等.