WinCE電源管理應(yīng)對移動(dòng)嵌入式能耗瓶頸

伴隨著移動(dòng)嵌入式產(chǎn)品的普及，電源管理已經(jīng)成為重要技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品的有機(jī)組成。典型移動(dòng)嵌入式設(shè)備對能耗越來越敏感，電源管理技術(shù)正成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。為了應(yīng)對電源管理面臨的挑戰(zhàn)，如何設(shè)計(jì)出高效的嵌入式系統(tǒng)的電源管理已成為研究熱點(diǎn)。

典型移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)能耗主要部件包括嵌入式微處理器CPU、內(nèi)存、LCD及背光、電源轉(zhuǎn)換部件、DSP、外設(shè)控制器等。在這些元件中，有些元件能耗固定，有些元件可在不同時(shí)間段工作并有多種可控的耗能狀態(tài)，后者的有效使用成為嵌入式系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵所在。

1.什么是WinCE電源管理

(1)電源管理概念與方法

在電池供電的移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)中，一般采用高效率的電源芯片用于供電管理，或采用大容量的電池以解決能耗需求，但這兩種技術(shù)的發(fā)展還無法滿足移動(dòng)嵌入式設(shè)備的動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。有一種方法可以協(xié)調(diào)高性能與低功耗之間的矛盾，就是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行性能調(diào)節(jié),通過停止某些模塊的時(shí)鐘和電源供應(yīng)將能耗降至最低。

嵌入式系統(tǒng)按功率消耗由小到大分為睡眠(sleep)、空閑(idle)、運(yùn)行(Run)等模式。大多時(shí)間內(nèi)，在運(yùn)行態(tài)(Run)時(shí)設(shè)備全部正常工作，而在睡眠與空閑模式時(shí)處理器則可以按照特定的模式進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能。因此，電源管理的目的是節(jié)能，基本節(jié)能方法是使系統(tǒng)適時(shí)的進(jìn)出休眠狀態(tài)。在節(jié)能狀態(tài)下處理器掛起，主存儲(chǔ)器運(yùn)行在節(jié)能的自刷新模式，只有功耗管理電路、喚醒電路繼續(xù)工作。比如用戶按下On/Off按鈕,或者監(jiān)視用戶活動(dòng)的定時(shí)器超時(shí),或者應(yīng)用程序API都可以使得嵌入式系統(tǒng)休眠,當(dāng)用戶再次按下On/Off或者有其他喚醒中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)退出休眠。因此，電源管理模塊和用戶活動(dòng)情況密不可分,電源管理是用戶活動(dòng)所驅(qū)動(dòng)的。

WinCE處理用戶與系統(tǒng)交互的部分是GWES,所以早期電源管理工作也是由GWES來實(shí)現(xiàn)。但GWES提供的電源管理模塊功能過于粗糙死板，所有子設(shè)備只能有On和Suspend狀態(tài),應(yīng)用程序無法得到任何狀態(tài)轉(zhuǎn)換通知。后來，WinCE引入了電源管理PM(Power Manager)模塊，用以替代GWES中的電源管理功能，新的電源管理模塊提供更完整和靈活的功能,如子設(shè)備電源狀態(tài)可以單獨(dú)設(shè)定,應(yīng)用可以獲得電源通知等。因此，電源管理器負(fù)責(zé)管理設(shè)備電源，并且與不支持電源管理功能的設(shè)備和應(yīng)用兼容，在內(nèi)核OAL層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序之間充當(dāng)中間人角色。

(2)電源管理器結(jié)構(gòu)

在使用電池供電的WinCE系統(tǒng)中，正確設(shè)計(jì)電源管理十分關(guān)鍵。在功能上大致可以分為系統(tǒng)級(jí)電源管理、動(dòng)態(tài)電源管理、設(shè)備電源管理等三類。通常，應(yīng)用程序在大多數(shù)時(shí)間都不需要關(guān)注WinCE 設(shè)備的電源損耗，但是在某些時(shí)候要注意這些損耗。WinCE電源管理器通過一個(gè)名為Pm.dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫與設(shè)備管理器Device.exe鏈接。Pm.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫支持三類接口：一是驅(qū)動(dòng)程序接口：為需要進(jìn)行電源管理的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序使用;二是應(yīng)用程序接口：為需要利用電源管理的應(yīng)用程序使用;三是提醒接口(Notification)：為需要接受電源事件提醒的應(yīng)用程序使用。

例如，WinCE系統(tǒng)先檢查任務(wù)負(fù)載情況，如果沒有需要運(yùn)行的任務(wù)，則一般進(jìn)入空閑節(jié)能狀態(tài)等待喚醒，在空閑一段時(shí)間后進(jìn)入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。在運(yùn)行任務(wù)期間，WinCE還可以利用硬件提供的電源管理功能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片運(yùn)行電壓和頻率，對系統(tǒng)進(jìn)行更加細(xì)致的電源管理。

2.WinCE電源管理的分類

(1)系統(tǒng)電源狀態(tài)

Win CE系統(tǒng)電源狀態(tài)更多的是代表系統(tǒng)電源的一種配置方案,它是各個(gè)子設(shè)備電源配置的集合。它設(shè)定一種可能出現(xiàn)的情景,事先擬定了此情景下電力分配策略(哪些子設(shè)備打開,哪些子設(shè)備關(guān)閉)。WinCE支持以下幾種電源狀態(tài)：①ON狀態(tài)，用戶在主動(dòng)使用設(shè)備。②UserIdle狀態(tài)，用戶與設(shè)備停止交互，但仍有可能使用設(shè)備。③SystemIdle狀態(tài)，在經(jīng)過一段時(shí)間的UserIdle后進(jìn)入此狀態(tài)，但是驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)仍然活動(dòng)。④Suspend狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)進(jìn)程不再與系統(tǒng)交互時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)。⑤ColdReboot和Reboot狀態(tài)，冷啟動(dòng)后系統(tǒng)電源狀態(tài)。

因此，在這個(gè)基礎(chǔ)上技術(shù)人員可以根據(jù)自己的平臺(tái)特點(diǎn),增加新的策略來滿足不同移動(dòng)嵌入式產(chǎn)品的需要。常見的做法是設(shè)計(jì)一個(gè)電源按鍵的流驅(qū)動(dòng),當(dāng)檢測到按鍵時(shí)候呼叫API將系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換到Suspend，如On/Off按鍵。還有就是加入背燈控制，比如在On狀態(tài)下請求顯示驅(qū)動(dòng)打開背燈,在UserIdle和SystemIdle狀態(tài)下請求顯示驅(qū)動(dòng)關(guān)閉背燈。

(2)設(shè)備電源管理

WinCE加入了高級(jí)的電源管理組件功能，它允許每個(gè)外設(shè)具有自己的電源狀態(tài)，這有別于一般的系統(tǒng)電源狀態(tài)(System Power State)，故被稱作設(shè)備電源狀態(tài)(Device Power State)?，F(xiàn)在的應(yīng)用程序一般都有能力設(shè)置個(gè)別外設(shè)的電源狀態(tài)，比如一個(gè)文件傳輸程序，在保持串口或者藍(lán)牙端口正常通訊時(shí)，可以關(guān)閉顯示屏幕和背光，這就為實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的動(dòng)態(tài)電源管理提供了可能。

電源管理器和支持電源管理的設(shè)備之間的交互包括兩種機(jī)制：一是電源管理器到驅(qū)動(dòng)程序，電源管理器使用DeviceIoControl()函數(shù)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送I/O控制(IOCTLs)，因此設(shè)備必須能響應(yīng)電源管理器的查詢、狀態(tài)設(shè)置等IOCTLs。二是驅(qū)動(dòng)程序到電源管理器，驅(qū)動(dòng)程序使用DevicePower Notify()函數(shù)與電源管理器交互，例如請求電源管理器把它的設(shè)備置于某種狀態(tài)，如果電源管理器接受該請求則通過發(fā)送IOCTL_POWER_SET等IOCTLS來進(jìn)行設(shè)置。

(3)應(yīng)用程序與電源管理器交互

Win CE應(yīng)用程序與電源管理器有兩種交互機(jī)制：一是應(yīng)用程序接口，用以獲取當(dāng)前系統(tǒng)和設(shè)備的電源狀態(tài)。應(yīng)用程序通過SetSystemPowerState()來設(shè)置系統(tǒng)電源狀態(tài),通過SetDevicePower來設(shè)置子設(shè)備電源狀態(tài),通過SetPowerRequirement通知電源管理器將子設(shè)備設(shè)置在特殊電源狀態(tài)下,不隨系統(tǒng)電源改變。二是電源事件提醒接口。為了實(shí)現(xiàn)提醒接口，應(yīng)用程序還可通過CreateMsgqueue()函數(shù)建立消息隊(duì)列，將其句柄傳給電源管理器，電源管理器再把提醒發(fā)送到消息隊(duì)列中，調(diào)用者可選擇可用提醒的一個(gè)子集進(jìn)行響應(yīng)。

(4)OAL層電源管理的實(shí)現(xiàn)

OEM Adaptation Layer(OAL)是一層與硬件平臺(tái)相關(guān)的代碼，它在電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換中扮演著重要的角色。在WinCE中，OAL層電源管理通過OEMIdle()和OEMPowerOff()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。其中OEMInit是初次上電時(shí)(或在冷啟后)被調(diào)用，如初始化系統(tǒng)內(nèi)存，建立調(diào)試環(huán)境，設(shè)置系統(tǒng)中斷等;當(dāng)系統(tǒng)中沒有任何可調(diào)度的線程時(shí)，內(nèi)核就調(diào)用OEMIdle()以實(shí)現(xiàn)降低處理器的頻率來達(dá)到省電目的，這個(gè)函數(shù)在BSP中可以由OEM修改定制。

當(dāng)有外部中斷時(shí)，CPU可從其中恢復(fù)，如當(dāng)用戶按下OFF按鈕或者應(yīng)用調(diào)用API進(jìn)入suspend狀態(tài)時(shí)候,內(nèi)核會(huì)調(diào)用OEMPowerOff()函數(shù)，在系統(tǒng)喚醒后繼續(xù)從OEMPowerOff()被掛起處執(zhí)行。OEMPowerOff函數(shù)是基于硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的，它能進(jìn)行CPU寄存器保存、設(shè)置及喚醒恢復(fù)等功能。系統(tǒng)Idle狀態(tài)和前面說的UserIdle狀態(tài)是不同概念,前者是CPU負(fù)荷情況驅(qū)動(dòng),代表系統(tǒng)空閑;后者是用戶活動(dòng)驅(qū)動(dòng),代表用戶空閑。

2.從應(yīng)用程序交互分析電源管理狀態(tài)

當(dāng)WinCE 系統(tǒng)被掛起，為了省電用戶需要關(guān)閉處理器及大部分設(shè)備供電，然后在需要喚醒時(shí)再通過定時(shí)器或無線模塊喚醒。一般來說，被喚醒后系統(tǒng)會(huì)返回到與系統(tǒng)掛起前一樣的狀態(tài)，因此應(yīng)用程序根本不知道系統(tǒng)曾被掛起，除非它明確地請求當(dāng)系統(tǒng)掛起時(shí)通知它。因此從應(yīng)用程序的角度看，電源管理有三種方式：查詢電源狀態(tài)、改變電源狀態(tài)和防止電源狀態(tài)改變。

(1)查詢電源狀態(tài)

對嵌入式系統(tǒng)來說，OEM廠商定義了系統(tǒng)的電源狀態(tài)。例如，電源狀態(tài)可能是打開(On)，空閑(Idle)和掛起(Suspend)，還有ScreenOff、InCradle和 OnBattery等。從應(yīng)用程序的觀點(diǎn)看，電源管理程序提供了通知電源狀態(tài)改變的能力以及通過一系列的函數(shù)統(tǒng)一改變電源狀態(tài)的能力。

因此，查詢系統(tǒng)當(dāng)前的電源狀態(tài)是WinCE的一個(gè)重要功能，可以調(diào)用DWORD GetSystemPowerStatusEx2(PSYSTEM_POWER_STATUS_EX2，DWORD dwLen，BOOL fUpdate)來查詢。函數(shù)用三個(gè)參數(shù)來告訴WinCE系統(tǒng)查詢電池驅(qū)動(dòng)最后的信息或者直接返回電池緩存中的信息，系統(tǒng)大約每5秒查詢一次電池狀態(tài)。又因?yàn)閃inCE不驗(yàn)證電池驅(qū)動(dòng)返回的數(shù)據(jù)，因此不同的系統(tǒng)有不同的變化，這個(gè)函數(shù)返回來的數(shù)據(jù)是主要依賴于電池驅(qū)動(dòng)。例如，許多系統(tǒng)在使用AC電源時(shí)不報(bào)告精確的電源級(jí)數(shù)，另一些系統(tǒng)則相反。

(2)改變電源狀態(tài)

應(yīng)用程序能通過一系列的方式改變系統(tǒng)的電源狀態(tài)，在WinCE中首選的方式是使用電源管理程序。電源管理程序提供函數(shù)來允許應(yīng)用程序來控制電源狀態(tài)，如應(yīng)用程序通過調(diào)用函數(shù)SetSystemPowerState來請求特定的電源狀態(tài)。一般有兩個(gè)方式來控制電源，第一個(gè)方式是應(yīng)用程序給定一個(gè)電源設(shè)定;第二個(gè)方式是應(yīng)用程序請求電源狀態(tài)不要低于給定的級(jí)別。

常見的例如：①關(guān)閉電源，應(yīng)用程序通過調(diào)用GwesPowerOffSystem函數(shù)掛起系統(tǒng)，如函數(shù)void GwesPowerOffSystem(void)的調(diào)用就會(huì)掛起系統(tǒng)。② 關(guān)閉屏幕，如果系統(tǒng)是有色背光顯示，那么主要的電源消耗不是CPU而是背光。在某一些環(huán)境下，一個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)并不需要顯示在屏幕上。例如音樂播放器應(yīng)用程序，當(dāng)用戶聽音樂的時(shí)候不關(guān)注屏幕，在這些情形下關(guān)閉背光將意味著提高電池壽命。當(dāng)然，當(dāng)用戶想看屏幕時(shí)，任何關(guān)閉背光應(yīng)用程序就需要一個(gè)簡單的方式來重新打開屏幕。顯示控制是通過Ext-Escape函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)函數(shù)允許應(yīng)用程序打開或關(guān)閉顯示。另外，WinCE沒有一個(gè)統(tǒng)一的方式來控制背光的亮度，每個(gè)系統(tǒng)都有它自己的OEM特有方式來控制背光亮度。③打開系統(tǒng)電源，意思是說當(dāng)被掛起的應(yīng)用程序要再次運(yùn)行時(shí)，必須要有一個(gè)方式來喚醒一個(gè)掛起的系統(tǒng)電源。方法可以是應(yīng)用程序通過使用消息API(Notification API)把系統(tǒng)喚醒。在一般情況下，OEM廠商會(huì)分配一些中斷條件以便電源打開或喚醒。

(3)防止系統(tǒng)關(guān)閉電源

另一方面，防止系統(tǒng)掛起也是一個(gè)重要的問題。WinCE系統(tǒng)通常被設(shè)置為當(dāng)一段時(shí)間沒有用戶輸入就自動(dòng)掛起。因此，如果定時(shí)器到達(dá)預(yù)先的沒有用戶輸入的間隔，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)掛起。當(dāng)要防止自動(dòng)掛起時(shí)，應(yīng)用程序可以周期性地調(diào)用這個(gè)函數(shù)：void WINAPI SystemIdleTimerReset (void)，這個(gè)函數(shù)能重設(shè)WinCE用來監(jiān)視用戶輸入的定時(shí)器。所以當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序需要更改超時(shí)值時(shí)，就可以通過調(diào)用SystemIdleTimerReset把掛起超時(shí)值改變。一般來說，WinCE系統(tǒng)維護(hù)三個(gè)超時(shí)值，防止電源被自動(dòng)掛起可以使用SystemParametersInfo來查詢這三個(gè)值，并在最短時(shí)間內(nèi)返回調(diào)用SystemIdleTimerReset。如果超時(shí)值被設(shè)置為0，表示超時(shí)值被禁止。

(4)電源通知

最后，電源管理程序還有一個(gè)十分受歡迎的特點(diǎn)，就是可以在系統(tǒng)電源狀態(tài)改變時(shí)通知應(yīng)用程序，這可以讓應(yīng)用程序從手動(dòng)檢測電源狀態(tài)中解脫出來。應(yīng)用程序通過調(diào)用RequestPowerNotifications請求電源管理程序當(dāng)電源狀態(tài)改變的時(shí)候，發(fā)送一個(gè)通知給應(yīng)用程序，電源管理程序再通過一個(gè)由應(yīng)用程序建立的消息隊(duì)列發(fā)送此通知。

總之，嵌入式電源管理在WinCE系統(tǒng)是一個(gè)快速發(fā)展的研究課題。它對移動(dòng)嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵性影響，一個(gè)高效的電源管理設(shè)計(jì)可以幫助移動(dòng)嵌入式產(chǎn)品在市場競爭中脫穎而出，克敵制勝。