- 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
- 測試板采用4路LDO供電
引言
系統休眠是嵌入式系統除關機外最省電的一種狀態。休眠（Suspend, STR （Suspend To RAM ）） ,又稱為掛起或者掛起到內存，會將目前的運行狀態數據存放在內存，并關閉硬盤、外設等設備，進入等待狀態，此時除了內存仍然需要電力維持其數據，整機其余部分耗電很少。
恢復時處理器從內存讀出數據，回到掛起前的狀態，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數天之久。
1 SEP0611和電源管理單元硬件設計
SEP0611是東南大學自主研發的一款基于UniCore32內核的32位高性能、低功耗RISC微處理器，是定位于手持播放設備、衛星導航產品的高性能處理器。主要分為五個部分：系統與時鐘控制、外設接口、多媒體系統、GPS系統和存儲系統。系統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，以及系統的復位控制。系統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用內核低功耗層的接口函數，從而實現系統進入休眠的一系列操作；在接收到喚醒信號后內核低功耗層會執行喚醒操作，與此同時低功耗層也會調用外設驅動的電源管理接口讓設備跟隨系統實現喚醒。SEP0611無BIOS,系統喚醒后會回到bootloader執行。
3 系統休眠的內核層分析與驅動設計
Linux系統休眠內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狀態等，在得到喚醒信號后將恢復狀態繼續運行。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，系統狀態保存/恢復等。本小節由休眠準備，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、suspend_devices_and_enter函數中的大部分內容劃分為休眠準備部分。
suspend_prepare函數的主要作用如下：
（1） 用一個全局變量保存好控制臺。
（2） 執行pm_noTIfier_call_chain函數，該函數調用notifier_call_chain函數來通知事件（將休眠）的到達。
（3） 凍結進程，這通過freeze_processses函數實現。
在suspend_devices_and_enter函數中執行剩余的休眠準備工作：
（1） 調用suspend_ops->begin.
（2） 調用suspend_cONsole函數獲取控制臺信號量以休眠控制臺。
（3） 調用dpm_suspend_start函數，該函數分為兩步。
首先調用device_prepare,該設備準備函數通常無操作；然后調用device_suspend函數，使設備驅動進入休眠模式。
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在該函數中，系統會遍歷dpm_active鏈表，為該鏈表上的每個驅動調用suspend函數（該函數負責掛起設備驅動），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函數的填寫（函數頭略）：
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：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，該函數將調用suspend_ops->enter（state），調用該函數即是調用SEP0611驅動接口函數sep_pm_enter;該接口函數在sep_pm.c中實現。該文件將保存在CPU寄存器，將休眠代碼搬運到sram中，然后系統在sram中執行休眠代碼，先讓DDR進入自刷新狀態，而后處理器進入sleep模式。當系統處于休眠模式時，一旦接收到喚醒事件的中斷，如內部的RTC ALARM中斷或者外部的Wakeup按鍵信號才能夠讓系統退出休眠，即喚醒系統。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各模式狀態之后，跳轉到sram執行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函數搬運至sram中；而跳轉通過將sram的物理地址靜態映射到linux內核（在對應架構的mm.c中）實現。
此后，系統處于休眠（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，即是該執行休眠退出部分了。PMU硬件部分將讓系統重新上電，而軟件則回到bootloader部分執行，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，此后回到linux操作系統。需要說明的是，在進入休眠部分的保存CPU各模式狀態之前，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操作系統執行。
3.3 完成喚醒
上面講到了程序回到linux系統執行后，休眠內核層將通過suspend_devices_and_enter函數中位于調用suspend_enter之后的部分和suspend_finish函數完成與休眠準備相逆的操作。
首先在suspend_devices_and_enter函數中執行以下完成喚醒的工作：
（1） 調用dpm_suspend_end函數，該函數分為兩步。
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首先調用設備喚醒函數device_resume,該函數會遍歷dpm_off 鏈表隊列，依次調用該隊列上設備驅動的resume函數，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。然后調用device_complete函數，該函數通常無操作。下面仍以音頻驅動為例展示設備驅動resume函數的填寫（函數頭略）：
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：
（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） 調用resume_console函數釋放控制臺信號量以喚醒控制臺。
（3） 調用suspend_ops->end.
其次suspend_finish函數完成與suspend_prepare函數相逆的操作：
（1） 喚醒進程，通過thaw_processses函數實現。
（2） 執行pm_notifier_call_chain函數，該函數調用notifier_call_chain函數來通知事件（完成喚醒）的到達。
（3） 從全局變量恢復控制臺。
至此，系統完成喚醒，且系統中所有的設備驅動能正常工作。
4 驅動驗證
4.1 驗證環境和方法
驅動驗證在江蘇東大集成電路有限公司生產的功耗測試板上進行，該測試板編號為：SEUIC東集PCB602_DEMO0611,生產日期為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操作系統中sysfs文件系統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，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）列代表系統休眠之前某電阻上的電流值；i-s（mA）列代表系統休眠之時某電阻上的電流值；a-s（mA）列代表系統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，還采用穩壓源供電，測試了板級總電流：系統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.
在系統完成喚醒后，測試了系統中所有設備驅動的工作情況：系統中的包括TIMER、CPU這樣的系統設備工作正常；系統中的外設驅動包括UART、LCDC、I2C、I2S、SDIO、NAND、USB等都能正常工作。
5 結論
由于在系統休眠時4路LDO的掉電和除常開區外各路時鐘的切斷，系統休眠的電流降到了23mA.這個數值為系統運行時的8%,大大降低了系統的功耗。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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