- 討論基于SEP0611的電源管理驅(qū)動設(shè)計方案
- 通過驅(qū)動層使外圍設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)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(guān)機(jī)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(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存，并關(guān)閉硬盤、外設(shè)等設(shè)備，進(jìn)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(jī)其余部分耗電很少。
恢復(fù)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(fù)速度較快。一般在電池?zé)o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(shè)計
SEP0611是東南大學(xué)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(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)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(shè)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(shè)計。
PMU包括時鐘控制和功耗控制兩部分。功耗控制主要負(fù)責(zé)在各個工作模式下的切換，進(jìn)入低功耗模式后的喚醒，以及系統(tǒng)的復(fù)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(shù)
圖1 Linux APM技術(shù)架構(gòu)圖
圖1是APM技術(shù)在Linux中的架構(gòu)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(shè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)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(shè)驅(qū)動的電源管理接口讓設(shè)備跟隨系統(tǒng)實(shí)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(qū)動設(shè)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(qū)動層使外圍設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)的suspend狀態(tài)等，在得到喚醒信號后將恢復(fù)狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。它包括了體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分：當(dāng)前進(jìn)程的凍結(jié)/釋放，管理外圍驅(qū)動；也包括了體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分：讓處理器進(jìn)入/退出休眠，DDR進(jìn)入自刷新指令序列，系統(tǒng)狀態(tài)保存/恢復(fù)等。本小節(jié)由休眠準(zhǔn)備，休眠進(jìn)入和休眠退出，完成喚醒三部分組成。
3.1 休眠準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)。
（3） 凍結(jié)進(jìn)程，這通過freeze_processses函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
在suspend_devices_and_enter函數(shù)中執(zhí)行剩余的休眠準(zhǔn)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(shè)備準(zhǔn)備函數(shù)通常無操作；然后調(diào)用device_suspend函數(shù)，使設(shè)備驅(qū)動進(jìn)入休眠模式。
技術(shù)中心每天會更新了大量技術(shù)內(nèi)容和方案，可查看：
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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(qū)動調(diào)用suspend函數(shù)（該函數(shù)負(fù)責(zé)掛起設(shè)備驅(qū)動），正常返回后會將其移至dpm_off鏈表隊(duì)列。至此，已完成休眠準(zhǔn)備部分的工作。下面以音頻驅(qū)動為例展示設(shè)備驅(qū)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(shí)現(xiàn)：保存音頻設(shè)備硬件寄存器；禁止音頻設(shè)備時鐘。
3.2 休眠進(jìn)入和休眠退出
完成了進(jìn)入休眠的準(zhǔn)備工作，接下來就是進(jìn)入休眠。
suspend_enter是休眠進(jìn)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(qū)動接口函數(shù)sep_pm_enter;該接口函數(shù)在sep_pm.c中實(shí)現(xiàn)。該文件將保存在CPU寄存器，將休眠代碼搬運(yùn)到sram中，然后系統(tǒng)在sram中執(zhí)行休眠代碼，先讓DDR進(jìn)入自刷新狀態(tài)，而后處理器進(jìn)入sleep模式。當(dāng)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(jìn)入/退出休眠的代碼流程圖如圖2所示。
圖2 進(jìn)入/退出sleep模式的代碼流圖
在圖2中的休眠進(jìn)入部分，保存CPU各模式狀態(tài)之后，跳轉(zhuǎn)到sram執(zhí)行DDR2的自刷新和休眠的進(jìn)入，而這段代碼（DDR2的自刷新和休眠的進(jìn)入）此前已由copy_func_to_sram函數(shù)搬運(yùn)至sram中；而跳轉(zhuǎn)通過將sram的物理地址靜態(tài)映射到linux內(nèi)核（在對應(yīng)架構(gòu)的mm.c中）實(shí)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(fù)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(jìn)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(shí)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(fù)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(zhǔn)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(shè)備喚醒函數(shù)device_resume,該函數(shù)會遍歷dpm_off 鏈表隊(duì)列，依次調(diào)用該隊(duì)列上設(shè)備驅(qū)動的resume函數(shù)，讓驅(qū)動恢復(fù)正常工作模式，并將其從dpm_off 隊(duì)列恢復(fù)至dpm_active 隊(duì)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(qū)動為例展示設(shè)備驅(qū)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(shí)現(xiàn)：
（1） 使能音頻設(shè)備時鐘；初始化音頻相關(guān)的GPIO口；恢復(fù)音頻設(shè)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(jìn)程，通過thaw_processses函數(shù)實(shí)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(dá)。
（3） 從全局變量恢復(fù)控制臺。
至此，系統(tǒng)完成喚醒，且系統(tǒng)中所有的設(shè)備驅(qū)動能正常工作。
4 驅(qū)動驗(yàn)證
4.1 驗(yàn)證環(huán)境和方法
驅(qū)動驗(yàn)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(jìn)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(yùn)行在800MHz,AHB總線運(yùn)行在180MHz,DDR運(yùn)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(jìn)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(yàn)證設(shè)備驅(qū)動功能。
4.2 驗(yàn)證結(jié)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(shè)（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?yàn)檫@4路電壓都為0,而此時DDR顆粒和外設(shè)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(shè)備驅(qū)動的工作情況：系統(tǒng)中的包括TIMER、CPU這樣的系統(tǒng)設(shè)備工作正常；系統(tǒng)中的外設(shè)驅(qū)動包括UART、LCDC、I2C、I2S、SDIO、NAND、USB等都能正常工作。
5 結(jié)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(yùn)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(jìn)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(dǎo)致電流泄漏；可以檢查io電路，等等?？傮w來說，本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了SEP0611處理器板級的休眠和喚醒、所有設(shè)備驅(qū)動的休眠和喚醒；完成了電源管理驅(qū)動的設(shè)計；并在功耗測試板上驗(yàn)證了驅(qū)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(qū)動也有一定的借鑒意義。
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