Windows Mobile電源管理分析與實現(xiàn)

?如今在以數(shù)碼消費(fèi)產(chǎn)品為代表的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，大多數(shù)系統(tǒng)采用電池供電，由于電池容量有限，這使得實現(xiàn)產(chǎn)品的低功耗，延長待機(jī)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(xiàn)低功耗的一個重要任務(wù)，其基本思想是在系統(tǒng)中沒有任務(wù)等待運(yùn)行時，把系統(tǒng)置于盡可能低的能量狀態(tài)，等到有任務(wù)需要執(zhí)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(tǒng)中的電源管理模塊正是出于后者的考慮而出現(xiàn)的，圖1為電源管理(Power Manager)的運(yùn)行機(jī)制。該模塊根據(jù)系統(tǒng)實際運(yùn)行情況，以CPU為中心，管理器件和外設(shè)的功耗狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)在不同電源狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，從而在保證系統(tǒng)性能的前提下降低功耗。而Windows Mobile系統(tǒng)針對其專用于移動通信平臺的特點(diǎn)，對電源管理部分做了進(jìn)一步的定制，使其具有更好的效能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的電源效率。
??? Power Manager的實現(xiàn)在軟件上需要OS內(nèi)核、驅(qū)動層及應(yīng)用層的協(xié)作，對于預(yù)先定義好的系統(tǒng)電源狀態(tài)，Power Manager將這些狀態(tài)映射到具體的CPU電源狀態(tài)和設(shè)備電源狀態(tài)，在系統(tǒng)電源狀態(tài)切換時就會執(zhí)行對應(yīng)的CPU和外設(shè)的電源狀態(tài)切換操作。

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

??? 應(yīng)用程序可通過API申請將系統(tǒng)電源置于一定的狀態(tài)，同時也可申請將指定設(shè)備設(shè)置于特定的電源狀態(tài)，應(yīng)用程序也可以申請電源狀態(tài)通知，以便在系統(tǒng)電源狀態(tài)切換時收到消息以執(zhí)行對應(yīng)的操作。當(dāng)需要切換系統(tǒng)電源狀態(tài)時，電源管理模塊與電源管理的設(shè)備通信，進(jìn)而調(diào)用這些設(shè)備的電源相關(guān)函數(shù)，實現(xiàn)對這些設(shè)備的電源管理，同時如果有應(yīng)用程序或設(shè)備驅(qū)動申請了電源狀態(tài)通知，則電源管理模塊會向消息隊列中發(fā)送消息。

1．2 Windows Mobile中的電源狀態(tài)以及狀態(tài)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(tài)(Windows Mobile的電源狀態(tài)是不能像WinCE那樣再定制的)：
??? ON：用戶與系統(tǒng)交互時的狀態(tài)；
??? Backlight OFF：在一段時間內(nèi)(默認(rèn)15 s)，如果一直沒有用戶操作就關(guān)閉背光，這時其他的設(shè)備都沒變化；
??? Screen OFF：一般由某些程序指定，才進(jìn)入這個狀態(tài)。比如音樂播放器程序，當(dāng)你聽音樂時按下某個鍵可以將屏幕關(guān)閉；
??? Suspend：Pocket PC的睡眠模式，幾乎所有設(shè)備都被關(guān)閉，直到某個硬件設(shè)備觸發(fā)中斷才將系統(tǒng)喚醒，這是Pocket PC系統(tǒng)中功耗最低的一個狀態(tài)，對這個狀態(tài)的實現(xiàn)直接影響到待機(jī)時間；
??? Resuming：Pocket PC被喚醒后的狀態(tài)，這時屏幕是關(guān)閉的，并啟動一個15 s的計時器，在這段時間內(nèi)決定接下來進(jìn)入哪個狀態(tài)，如果計時器超時則重新回到睡眠狀態(tài)；
??? Unattended：這個狀態(tài)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(zhí)行。
??? 這里可以用系統(tǒng)電源狀態(tài)機(jī)來簡單地描述Win-dows Mobile的電源管理策略。以Pocket PC為例，系統(tǒng)電源狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

??? 系統(tǒng)內(nèi)部的電源管理器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)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(fā)。

2 PXA270平臺上電源管理的實現(xiàn)
??? 電源管理的實現(xiàn)，涉及到系統(tǒng)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(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動，這二者主要負(fù)責(zé)電源管理在處理器和物理外設(shè)等硬件上的實現(xiàn)，另外有些應(yīng)用程序也會有涉及，這主要是系統(tǒng)電源狀態(tài)與具體應(yīng)用需求之間的協(xié)調(diào)。這里應(yīng)用的平臺是開發(fā)的基于PXA270的Windows Mobile智能手機(jī)平臺，該平臺搭載了NXP的基帶處理器及其外圍電路。以實現(xiàn)GSM通信。另外，還有藍(lán)牙、攝像頭等功能模塊，因此對該平臺進(jìn)行電源管理優(yōu)化是十分必要的。
2．1 內(nèi)核電源管理的實現(xiàn)
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(guān)閉背光和屏幕，但是系統(tǒng)仍在運(yùn)行。該平臺實現(xiàn)的是Pocket PC，采用Suspend／Re-sume模型，在系統(tǒng)處于空閑時，可將系統(tǒng)置于Staspend狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于最低的功耗狀態(tài)，在必要時再將其喚醒。在兩個模型之間需要權(quán)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(tǒng)電源狀態(tài)的切換最終會導(dǎo)致內(nèi)核中OEM函數(shù)的調(diào)用，下面重點(diǎn)介紹內(nèi)核中電源管理的實現(xiàn)，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(xiàn)上，切換至Suspend狀態(tài)時會調(diào)用OEMPowerOff函數(shù)，此時會將外設(shè)關(guān)閉，將PXA270處理器置于sleep模式，OEMPowerOff中Suspend的具體流程，即Xllp_SuspendAndResume函數(shù)如下：
??? (1)設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR的I位和F位，以禁止IRQ和F1Q中斷；
??? (2)根據(jù)第一步中獲得的地址，將Power，Inter-rupt，GPIO，CLOCK等硬件平臺及OS相關(guān)的寄存器保存在Xllp_SuspendAndResume函數(shù)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(gòu)下處理器模式的相關(guān)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，F(xiàn)IQ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(shè)置好SDRAM的自刷新頻率。在sleep模式下，SDRAM將處于自刷新狀態(tài)以維持之前保持的狀態(tài)數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)喚醒時恢復(fù)到sus-pend之前的狀態(tài)；
??? (5)利用PSPR寄存器來保存Resume參數(shù)的物理地址，如重啟原因、睡眠模式等，PSPR的數(shù)據(jù)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(shè)置RTC、來電RING中斷和電源鍵的喚醒；
??? (7)保存當(dāng)前處理器模式的狀態(tài)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(jìn)入sleep模式。到此，PXA270進(jìn)入sleep模式，系統(tǒng)處于Suspend電源狀態(tài)。
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(tài)參數(shù)，恢復(fù)之前狀態(tài)，其流程簡要介紹如下：
??? (1)當(dāng)已使能的喚醒事件發(fā)生時。處理器會從BootLoader啟動，進(jìn)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(zhuǎn)到Xllp_ResumePhase2A；
??? (2)在Xllp_ResumePhase2A中首先會將保存在PSPR中的參數(shù)取出，檢查無錯誤后，重新配置好MMU，載入處理器狀態(tài)寄存器和堆棧，跳轉(zhuǎn)至XllpRe-sumePhase3；
??? (3)在XllpResumePhase3載入所在環(huán)境的處理器狀態(tài)寄存器，接著逐級返回至OEMPowerOff函數(shù)，在OEMPowerOff函數(shù)中會獲得喚醒源，然后退出；
??? (4)此時系統(tǒng)由Power Manager置于Resuming狀態(tài)，Power Manager 根據(jù)喚醒源判斷是否將系統(tǒng)置于ON，還是繼續(xù)Suspend。
此時，系統(tǒng)狀態(tài)已經(jīng)恢復(fù)至睡眠之前，結(jié)束了Re-sume流程，完成對系統(tǒng)的喚醒。
2．2 設(shè)備驅(qū)動電源管理的實現(xiàn)
??? 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(shè)備的電源管理。對于只有ON和OFF兩種電源狀態(tài)的設(shè)備，Power Manager通過DeviceIOControl在Suspend和Resuming時分別調(diào)用各設(shè)備驅(qū)動中實現(xiàn)的PowerUp和PowerDown函數(shù)，以開啟和關(guān)閉設(shè)備。在該平臺上大多數(shù)設(shè)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(qū)動的IOControl中執(zhí)行一些開啟或者關(guān)閉處理器I／O電源的操作。
??? 對于GSM和藍(lán)牙等較復(fù)雜的設(shè)備，需要能及時喚醒，如在系統(tǒng)Suspend來電時，GSM模塊需快速喚醒并做出響應(yīng)，因此這些設(shè)備也支持sleep等模式。在進(jìn)入Suspend會相應(yīng)調(diào)用這些設(shè)備驅(qū)動的sleep函數(shù)，進(jìn)入設(shè)備的省電模式，而在Resuming時也會調(diào)用對應(yīng)的退出sleep的函數(shù)，以實現(xiàn)快速喚醒。
2．3 應(yīng)用程序電源管理的實現(xiàn)
??? 在此以自己編寫的基于DirectDraw的照相程序為例來說明應(yīng)用程序中電源管理的實現(xiàn)。
??? 首先，在開啟照相程序時，預(yù)覽一段時間沒有操作后，不希望按照定時器的值進(jìn)入Suspend，此時需定時修改SuspendTimeout，以阻止系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。具體做法是：啟動一個30 s的定時器，每30 s調(diào)用一次SystemIdleTimerReset函數(shù)。另外，由于該照相程序是Overlay顯示效果，在進(jìn)入拍照程序后，如果按下電源鍵進(jìn)入Suspend狀態(tài)，再喚醒時系統(tǒng)仍處于拍照程序，但是由于PXA270的LCDController沒有再次創(chuàng)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(tǒng)Reume之后照相程序應(yīng)能恢復(fù)正常。做法如下：在程序中創(chuàng)建一個線程，用CreateMsgQueue創(chuàng)建一個消息隊列，調(diào)用RequestPowerNotifications申請獲得電源管理消息，然后調(diào)用WaitForSingleOb-ject等待通知，當(dāng)收到Suspend的消息時，對程序窗口發(fā)送重新初始化Overlay的消息，在Resume后，程序會馬上執(zhí)行重新初始化的流程，照相程序恢復(fù)正常。

3 數(shù)據(jù)分析
??? 對系統(tǒng)運(yùn)行時幾個典型電源狀態(tài)的電流值做了測量，數(shù)據(jù)如表1所示。

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