引 言

如 何有效地管理嵌入式系統，尤其是移動終端的電源功耗，是一個很有價值的課題。動態電源管理DPM(Dynamic Power， Management)技術提供一種操作系統級別的電源管理能力，包含CPU工作頻率和電壓，外部總線時鐘頻率，外部設備時鐘／電源等方面的動態調節、管 理功能。通過用戶層制定策略與內核提供管理功能交互，實時調整電源參數而同時滿足系統實時應用的需求，允許電源管理參數在短時間的空閑或任務運行在低電源 需求時，可以被頻繁地、低延遲地調整，從而實現更精細、更智能的電源管理。

1 動態電源管理原理

CMOS電路的總功耗是活動功耗與靜態功耗之和。當電路工作或邏輯狀態轉換時會產生活動功耗，未發生轉換時晶體管漏電流會造成靜態功耗：　　

式中C為電容，fc為開關頻率，Vdd為電源電壓，IQ為漏電流。C·Vdd·fc為活動功耗；VddIQ為靜態功耗。在操作系統級的電源管理設計實現中，重點是活動功耗。從中可以得出幾種管理活動功耗的方法：

①電壓／時鐘調節。通過降低電壓和時鐘來減少活動功耗和靜態功耗。

②時鐘選通。停止電路時鐘，即設fc為O，讓Pactive為0。將時鐘從不用的電路模塊斷開，減少活動功耗。許多CPU都有“閑置”或“停止”指令，一些處理器還可通過門控關閉非CPU時鐘模塊，如高速緩存、DMA外設等。

③電源供應選通。斷開電路中不使用的模塊電源供應。這種方法需要考慮重新恢復該模塊的代價。

斷開不使用的模塊的時鐘和電源供應可以減少電源消耗，但要能夠正確預測硬件模塊的空閑時期。因為重新使能硬件模塊時鐘和電源會造成一定延遲，不正確的預測將導致性能下降。

從 式(1)可以看出：降低電壓對功耗的貢獻是2次方的；降低時鐘也可降低功耗，但它同時也降低性能，延長同一任務的執行時間。設2．0 V高壓下的能量消耗為E高=P高·T，則1．0 V低壓下能量消耗為E低=P低·2T(實踐中頻率近似線性依賴電壓)，再根據式(1)容易得到P高=8P低。綜合上式可以得出：E高=4E低，所以，選擇 滿足性能所需的最低時鐘頻率，在時鐘頻率和各種系統部件運行電壓要求范圍內，設定最低的電源電壓，將會大量減少系統功耗。上例中完成任務所需的能量可以節 約75％。

2 硬件平臺對動態電源管理的支持

通 過調節電壓、頻率來減少系統活動功耗需要硬件支持。SoC系統一般有多個執行單元，如PM(電源管理)模塊、OSC(片上晶振)模塊、PLL(鎖相環)模 塊、CPU核以及CPU核中的數據緩存和指令緩存，其他模塊統稱為外圍模塊(例如1，CD控制器、UART、SDRAM控制器等)。CPU高頻時鐘主要由 PLL提供，同時PLL也為外圍模塊和SoC總線提供其他頻率時鐘。一般SoC系統都有一些分頻器和乘法器可以控制這些時鐘。PM模塊主要是管理系統的電 源供應狀態。一般有自己的低頻、高準確度晶，振，用以維持一個RTC時鐘、RTC定時器和中斷控制單元。其中中斷控制單元使RTC定時器和外部設備能夠喚 醒掛起的SoC系統。下面以一個廣泛用于手持設備的TI0MAPl610處理器為例。

① 時鐘模塊。OMAPl610提供一個數字相控鎖環(DPLL)，將外頻或晶振輸入轉化為高頻，供給OMAP 3．2核以及其他片上設備。操作DPLL控制寄存器DPLLl_CTL_REG就可以設置DPLL輸出時鐘，輔以設置時鐘復用寄存器(MUX)和時鐘控制 寄存器ARM_CKCTL，就能控制MPU和DSP的運行頻率，MPU、DSP外設時鐘，以及LCD刷新時鐘，TC_CK時鐘(Trafflc Control Clock)等。

②電源管理模塊。OMAPl610集成一個超低功耗控制模塊(ULPD)，用以控制OMAP3．2時鐘和控制OMAPl610進出多種電源管理模式。操作ULPD控制寄存器ULPD_POWER_CTRL，可以設置處理器電壓、管理運行模式。

3 嵌入式Linux動態電源管理軟件實現

嵌入式Linux已被廣泛應用在電源功耗敏感的嵌入式設備上，特別是移動手持設備；因此，設計高效、精細的電源管理技術是嵌入式Linux開發成功的關鍵技術之一。

3.1動態電源管理實現原理

系統運行在常見的幾種不同狀態，有不同電源級別要求，其中蘊涵著豐富的節能機會。狀態轉化如圖1所示。