Linux电源管理1

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Linux电源管理1（基于Linux6.6）---整体架构

一、概述

电源管理在操作系统中是指通过控制硬件资源的使用来降低功耗，延长设备的使用寿命，尤其在移动设备和嵌入式系统中至关重要。Linux电源管理涉及多个层次，从系统硬件、内核驱动到用户空间的应用层，都需要配合协作。Linux 提供了灵活的电源管理机制，支持多种电源管理方案，包括 CPU、内存、设备和系统级的电源管理。

1.1、 Linux电源管理的目标

节省电池电量：尤其对笔记本、移动设备和嵌入式系统，电源管理有助于延长电池使用时间。
降低能耗：减少系统在空闲状态下的功耗，尤其在没有用户活动时。
提高硬件寿命：通过有效管理硬件资源的使用，减少不必要的热量产生和长期的负担，从而提高硬件的稳定性和寿命。

1.2、Linux电源管理的关键组件

Linux电源管理由多个核心组件组成，每个组件负责不同的硬件层级和功能。

ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)

ACPI 是一种操作系统与硬件之间的电源管理标准，广泛应用于笔记本、台式机等设备。
Linux内核支持ACPI，可以通过它管理设备的电源状态、设备热插拔和系统休眠等功能。
ACPI 主要提供以下功能：
- 休眠与唤醒：包括系统休眠（suspend）和休眠后恢复。
- 电源状态管理：允许操作系统通过ACPI控制硬件的功耗。
- 设备管理：支持按需关闭不必要的硬件资源以减少功耗。

CPUIDLE 和 CPU Frequency Scaling

CPUIDLE：用于管理CPU在空闲时的状态。CPU在不执行任务时可以进入低功耗状态，通过降低频率或完全关闭某些核心来节省电力。
- C状态：表示CPU的不同空闲状态。C0是活跃状态，C1至Cn是不同的空闲状态，随着状态编号的增高，功耗逐渐减少，但恢复时间也变长。
CPU Frequency Scaling：根据负载动态调整CPU的工作频率。频率降低时，功耗和发热量会降低。
- ondemand：当CPU负载较高时，动态提高CPU频率；负载低时降低频率。
- powersave：始终以最低频率工作，节省功耗。
- performance：始终运行在最大频率，保证性能。
- conservative：类似于ondemand，但调整频率的响应速度较慢，更加温和。

设备电源管理 (Device Power Management)

Linux通过udev和内核驱动程序为各个设备提供电源管理功能。
设备驱动的电源管理：通过内核驱动，设备可以在空闲时进入低功耗状态。当设备不需要时，可以通过软件控制其电源状态。
- USB设备管理：支持USB设备的休眠和唤醒。
- PCI设备管理：支持PCI总线设备的电源管理，包括使设备进入省电模式。
- 显卡、硬盘等设备管理：通过驱动控制设备的电源状态，减少空闲时的能耗。

内存管理

内存管理通过**swappiness、zswap、zram**等技术提高内存的使用效率，从而间接节省电力。
Swap管理：当系统内存资源紧张时，Linux可以通过交换分区（swap）将不活跃的内存页移至硬盘，释放物理内存。
内存压缩：如zswap和zram通过压缩内存数据，减少交换的需要，从而降低磁盘I/O带来的能耗。

休眠与唤醒机制

Linux支持几种类型的休眠模式，主要包括系统挂起（Suspend）和深度休眠（Hibernate）。
- Suspend（挂起）：将系统状态保存到RAM中，关机大部分硬件，减少功耗。恢复时，系统能较快恢复工作状态。
- Hibernate（休眠）：将系统状态保存到硬盘中，关闭所有硬件，完全断电。恢复时，需要从硬盘加载系统状态，因此恢复时间较长。
Suspend-to-RAM：进入低功耗状态，但保持内存中的数据。
Suspend-to-Disk：将整个内存内容写入硬盘，然后完全关闭电源。
Hybrid sleep：结合了suspend和hibernate的优点，在进入挂起模式的同时也保存内存状态到硬盘，在电池电量耗尽时可以从硬盘恢复。

1.3、电源管理的策略

用户空间电源管理工具：如**TLP、powertop**等，提供了更细粒度的电源管理，帮助用户调节电源策略并查看系统的功耗。
- TLP：自动化的电源管理工具，优化了笔记本电脑的功耗设置。
- powertop：实时监控和调节系统的功耗状态，可以显示哪些进程和硬件组件最耗电。
自动调节模式：例如基于系统负载自动调整CPU频率、硬盘休眠等，减少不必要的电量消耗。

1.4、电池管理

对于笔记本和移动设备，电池管理尤为重要。Linux通过ACPI与硬件进行交互，获取电池信息并进行管理。
- 电池电量监控：通过/sys/class/power_supply接口查看电池的剩余电量、充电状态、健康状况等。
- 电池优化：通过调节CPU频率、屏幕亮度、硬盘转速等，优化电池使用时间。

1.5、电源管理的调度器

CPU调度器：通过调度策略决定如何分配CPU资源，间接影响电源管理。常见的调度器有CFS（Completely Fair Scheduler）和BFS（Brain Fuck Scheduler）等。
IO调度器：IO调度器（如CFQ、deadline、noop）也对电源有影响，尤其在减少磁盘IO时，减少硬盘活跃度，节省功耗。

1.6、电源管理的调试与优化

Linux提供了多个调试工具和接口来监测和优化电源使用：
- powertop：监测电源消耗的工具，可以优化系统配置。
- cat /proc/acpi/：查看ACPI设备的状态信息。
- dmesg：查看内核日志中有关电源管理的消息。

二、 Linux电源管理的组成

电源管理（Power Management）在Linux Kernel中，是一个比较庞大的子系统，涉及到供电（Power Supply）、充电（Charger）、时钟（Clock）、频率（Frequency）、电压（Voltage）、睡眠/唤醒（Suspend/Resume）等方方面面（如下图），蜗蜗会在Linux电源管理系列文章中，对它们一一讲述。

Framework是一个中间层的软件，提供软件开发的框架。其目有三：一是屏蔽具体的实现细节，固定对上的接口，这样可以方便上层软件的开发和维护；二是尽可能抽象公共逻辑，并在Framework内实现，以提高重用性、减少开发量；三是向下层提供一系列的回调函数（callback function），下层软件可能面对差别较大的现实，但只要填充这些回调函数，即可完成所有逻辑，减小了开发的难度。

Power Supply，是一个供用户空间程序监控系统的供电状态（电池供电、USB供电、AC供电等等）的class。通俗的讲，它是一个Battery&Charger驱动的Framework。
Clock Framework，Clock驱动的Framework，用于统一管理系统的时钟资源。
Regulator Framework，Voltage/Current Regulator驱动的Framework。该驱动用于调节CPU等模块的电压和电流值。
Dynamic Tick/Clock Event，在传统的Linux Kernel中，系统Tick是固定周期（如10ms）的，因此每隔一个Tick，就会产生一个Timer中断。这会唤醒处于Idle或者Sleep状态的CPU，而很多时候这种唤醒是没有意义的。因此新的Kernel就提出了Dynamic Tick的概念，Tick不再是周期性的，而是根据系统中定时器的情况，不规律的产生，这样可以减少很多无用的Timer中断
CPU Idle，用于控制CPU Idle状态的Framework。
Generic PM，传统意义上的Power Management，如Power Off、Suspend to RAM、Suspend to Disk、Hibernate等。
Runtime PM and Wakelock，运行时的Power Management，不再需要用户程序的干涉，由Kernel统一调度，实时的关闭或打开设备，以便在使用性能和省电性能之间找到最佳的平衡
注3：Runtime PM是Linux Kernel亲生的运行时电源管理机制，Wakelock是由Android提出的机制。这两种机制的目的是一样的，因此只需要支持一种即可。另外，由于Wakelock机制路子太野了，饱受Linux社区的鄙视，因此我们不会对该机制进行太多的描述。
CPU Freq/Device Freq，用于实现CPU以及Device频率调整的Framework。
OPP（Operating Performance Point），是指可以使SOCs或者Devices正常工作的电压和频率组合。内核提供这一个Layer，是为了在众多的电压和频率组合中，筛选出一些相对固定的组合，从而使事情变得更为简单一些。
PM QOS，所谓的PM QOS，是指系统在指定的运行状态下（不同电压、频率，不同模式之间切换，等等）的工作质量，包括latency、timeout、throughput三个参数，单位分别为us、us和kb/s。通过QOS参数，可以分析、改善系统的性能。