Windows Mobile電源管理分析與實現

?如今在以數碼消費產品為代表的嵌入式系統領域，大多數系統采用電池供電，由于電池容量有限，這使得實現產品的低功耗，延長待機時間成為一個重要的課題。在已確定硬件電路功耗的情況下，提高電池電源的使用效率是實現低功耗的一個重要任務，其基本思想是在系統中沒有任務等待運行時，把系統置于盡可能低的能量狀態，等到有任務需要執行時，再將其快速喚醒，盡可能有效地利用功耗。

1 Windows Mobile中的電源管理
??? WinCE系列操作系統中的電源管理模塊正是出于后者的考慮而出現的，圖1為電源管理(Power Manager)的運行機制。該模塊根據系統實際運行情況，以CPU為中心，管理器件和外設的功耗狀態，實現系統在不同電源狀態間的轉換，從而在保證系統性能的前提下降低功耗。而Windows Mobile系統針對其專用于移動通信平臺的特點，對電源管理部分做了進一步的定制，使其具有更好的效能，進一步提高系統的電源效率。
??? Power Manager的實現在軟件上需要OS內核、驅動層及應用層的協作，對于預先定義好的系統電源狀態，Power Manager將這些狀態映射到具體的CPU電源狀態和設備電源狀態，在系統電源狀態切換時就會執行對應的CPU和外設的電源狀態切換操作。

1．1 電源管理與系統其他部分的交互
??? 在Windows Mobile中Power Manager以名為PM．dll的動態鏈接庫形式在啟動時被設備管理器De-vice．exe加載，如圖2所示。

??? 應用程序可通過API申請將系統電源置于一定的狀態，同時也可申請將指定設備設置于特定的電源狀態，應用程序也可以申請電源狀態通知，以便在系統電源狀態切換時收到消息以執行對應的操作。當需要切換系統電源狀態時，電源管理模塊與電源管理的設備通信，進而調用這些設備的電源相關函數，實現對這些設備的電源管理，同時如果有應用程序或設備驅動申請了電源狀態通知，則電源管理模塊會向消息隊列中發送消息。

1．2 Windows Mobile中的電源狀態以及狀態間的切換
??? Windows Mobile有兩個版本，SmartPhone和Pocket PC，這里采用是Windows Mobile 6的PocketPC，它定義了以下幾個電源狀態(Windows Mobile的電源狀態是不能像WinCE那樣再定制的)：
??? ON：用戶與系統交互時的狀態；
??? Backlight OFF：在一段時間內(默認15 s)，如果一直沒有用戶操作就關閉背光，這時其他的設備都沒變化；
??? Screen OFF：一般由某些程序指定，才進入這個狀態。比如音樂播放器程序，當你聽音樂時按下某個鍵可以將屏幕關閉；
??? Suspend：Pocket PC的睡眠模式，幾乎所有設備都被關閉，直到某個硬件設備觸發中斷才將系統喚醒，這是Pocket PC系統中功耗最低的一個狀態，對這個狀態的實現直接影響到待機時間；
??? Resuming：Pocket PC被喚醒后的狀態，這時屏幕是關閉的，并啟動一個15 s的計時器，在這段時間內決定接下來進入哪個狀態，如果計時器超時則重新回到睡眠狀態；
??? Unattended：這個狀態只在Pocket PC中被使用，用戶對其不會有所察覺，即程序在后臺執行。
??? 這里可以用系統電源狀態機來簡單地描述Win-dows Mobile的電源管理策略。以Pocket PC為例，系統電源狀態機如圖3所示。

??? 系統內部的電源管理器負責協調電源狀態的轉換，電源狀態的轉換主要由計時器超時(Timeout)、電源鍵事件(ON／OFF Event)、用戶操作(User Activity)等方式觸發。

2 PXA270平臺上電源管理的實現
??? 電源管理的實現，涉及到系統中軟件硬件的互相配合。對于軟件來說，涉及到各個層面，包括Windows Mobile內核和設備驅動，這二者主要負責電源管理在處理器和物理外設等硬件上的實現，另外有些應用程序也會有涉及，這主要是系統電源狀態與具體應用需求之間的協調。這里應用的平臺是開發的基于PXA270的Windows Mobile智能手機平臺，該平臺搭載了NXP的基帶處理器及其外圍電路。以實現GSM通信。另外，還有藍牙、攝像頭等功能模塊，因此對該平臺進行電源管理優化是十分必要的。
2．1 內核電源管理的實現
2．1．1 Suspend／Restlume模型
??? 對于SmartPhone，采用的是AlwaysOn模型，只是在工作一段時間后關閉背光和屏幕，但是系統仍在運行。該平臺實現的是Pocket PC，采用Suspend／Re-sume模型，在系統處于空閑時，可將系統置于Staspend狀態，此時系統處于最低的功耗狀態，在必要時再將其喚醒。在兩個模型之間需要權衡，雖然Always On沒有休眠模式，但是Suspend／Resume在Suspend和ON之間切換也是需要消耗大量能量的。系統電源狀態的切換最終會導致內核中OEM函數的調用，下面重點介紹內核中電源管理的實現，在Windows Mobile的樣例BSP中有示例代碼框架在Off．c和Xllp_SuspendAn-dResume．c可供參考。
2．1．2 Suspend流程
??? 在平臺實現上，切換至Suspend狀態時會調用OEMPowerOff函數，此時會將外設關閉，將PXA270處理器置于sleep模式，OEMPowerOff中Suspend的具體流程，即Xllp_SuspendAndResume函數如下：
??? (1)設置當前程序狀態寄存器CPSR的I位和F位，以禁止IRQ和F1Q中斷；
??? (2)根據第一步中獲得的地址，將Power，Inter-rupt，GPIO，CLOCK等硬件平臺及OS相關的寄存器保存在Xllp_SuspendAndResume函數的全局變量中，即將這些寄存器的值保存于SDRAM中；
??? (3)保存ARM架構下處理器模式的相關寄存器值，除了User模式的6種處理器模式，需保存的是SP，LR，和SPSR。另外，FIQ模式還需保存R8～R12。為了使用stmdb批拷貝指令，在此使用“偽堆棧”，即用SDRAM中的物理空間來模擬堆棧；
??? (4)配置MDREFR寄存器，設置好SDRAM的自刷新頻率。在sleep模式下，SDRAM將處于自刷新狀態以維持之前保持的狀態數據，供系統喚醒時恢復到sus-pend之前的狀態；
??? (5)利用PSPR寄存器來保存Resume參數的物理地址，如重啟原因、睡眠模式等，PSPR的數據在sleep時不會丟失；

(6)配置PWER，PRER或PFER寄存器，以使能特定的喚醒源，這里設置RTC、來電RING中斷和電源鍵的喚醒；
??? (7)保存當前處理器模式的狀態寄存器，保存MMU寄存器，保存Restlme的返回地址XllpRes-umePhase3，回寫Cache，配置CP14寄存器CR7，讓處理器進入sleep模式。到此，PXA270進入sleep模式，系統處于Suspend電源狀態。
2．1．3 Resume流程
??? 總的說來，Resume流程與Suspend是相反的，處理器初始化之后，會載入Suspend之前保存在SDRAM中的各種狀態參數，恢復之前狀態，其流程簡要介紹如下：
??? (1)當已使能的喚醒事件發生時。處理器會從BootLoader啟動，進行基本的硬件初始化之后。會判斷是Reset，還是sleep Resume，如果是后者，則會跳轉到Xllp_ResumePhase2A；
??? (2)在Xllp_ResumePhase2A中首先會將保存在PSPR中的參數取出，檢查無錯誤后，重新配置好MMU，載入處理器狀態寄存器和堆棧，跳轉至XllpRe-sumePhase3；
??? (3)在XllpResumePhase3載入所在環境的處理器狀態寄存器，接著逐級返回至OEMPowerOff函數，在OEMPowerOff函數中會獲得喚醒源，然后退出；
??? (4)此時系統由Power Manager置于Resuming狀態，Power Manager 根據喚醒源判斷是否將系統置于ON，還是繼續Suspend。
此時，系統狀態已經恢復至睡眠之前，結束了Re-sume流程，完成對系統的喚醒。
2．2 設備驅動電源管理的實現
??? 除了對處理器的電源管理，Power Manager還有一個主要工作就是平臺上設備的電源管理。對于只有ON和OFF兩種電源狀態的設備，Power Manager通過DeviceIOControl在Suspend和Resuming時分別調用各設備驅動中實現的PowerUp和PowerDown函數，以開啟和關閉設備。在該平臺上大多數設備都屬于這種管理方式，包括LCD，Aladio Codec等，這些工作主要是在Wince流驅動的IOControl中執行一些開啟或者關閉處理器I／O電源的操作。
??? 對于GSM和藍牙等較復雜的設備，需要能及時喚醒，如在系統Suspend來電時，GSM模塊需快速喚醒并做出響應，因此這些設備也支持sleep等模式。在進入Suspend會相應調用這些設備驅動的sleep函數，進入設備的省電模式，而在Resuming時也會調用對應的退出sleep的函數，以實現快速喚醒。
2．3 應用程序電源管理的實現
??? 在此以自己編寫的基于DirectDraw的照相程序為例來說明應用程序中電源管理的實現。
??? 首先，在開啟照相程序時，預覽一段時間沒有操作后，不希望按照定時器的值進入Suspend，此時需定時修改SuspendTimeout，以阻止系統進入睡眠狀態。具體做法是：啟動一個30 s的定時器，每30 s調用一次SystemIdleTimerReset函數。另外，由于該照相程序是Overlay顯示效果，在進入拍照程序后，如果按下電源鍵進入Suspend狀態，再喚醒時系統仍處于拍照程序，但是由于PXA270的LCDController沒有再次創建Overlay層，因此程序不能顯示圖像。從使用者的角度考慮，在系統Reume之后照相程序應能恢復正常。做法如下：在程序中創建一個線程，用CreateMsgQueue創建一個消息隊列，調用RequestPowerNotifications申請獲得電源管理消息，然后調用WaitForSingleOb-ject等待通知，當收到Suspend的消息時，對程序窗口發送重新初始化Overlay的消息，在Resume后，程序會馬上執行重新初始化的流程，照相程序恢復正常。

3 數據分析
??? 對系統運行時幾個典型電源狀態的電流值做了測量，數據如表1所示。

4 結 語
??? 對于1 200 mA／h的電池，該智能手機平臺能達到160 h左右的理論待機時間，以及3 h左右的通話時間。另外，睡眠及喚醒的響應時間也在1 s左右，表明Power Manager達到了提高電池電源使用效率的目標，基本滿足實際應用的需求。