Linux regulator子系统分析1

最新推荐文章于 2025-06-29 10:37:22 发布

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分类专栏： Linux内核子系统文章标签： linux 运维服务器

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Linux regulator子系统分析1（基于Linux6.6）---总体概述

一、regulator子系统相关的概念说明

1.1、Regulator概念

1. Regulator（电源调节器）是什么？

电源调节器（Regulator）是一种硬件模块，用于将电源电压从一个级别转换为另一个级别。例如，电池电压可能是3.7V，但系统中的某些模块可能需要1.8V或1.2V的电压。在这种情况下，调节器通过调节输出电压来确保系统稳定运行。

调节器主要有两种类型：

线性调节器（LDO, Low Dropout Regulator）：提供稳定的输出电压，通常效率较低，但简单且噪声较低。
开关调节器（Switching Regulator）：效率较高，适用于较大电流的应用，但通常会产生较大的电磁干扰。

2. Regulator子系统的作用

Regulator子系统的主要作用是管理电源调节器，提供以下功能：

电压管理：确保各个电压轨（电压输出）为设备提供稳定的电源。
动态电压调整（DVFS）：根据设备需求动态调整电压。例如，CPU在高负载时可能需要更高的电压，而在低负载时可以降低电压以节省能量。
电源启用和禁用：控制电源开关，以便在设备不需要时关闭电源，减少功耗。
电流限制：为不同的设备模块设置电流限制，防止过载或损坏设备。

3. Regulator子系统的主要组件

Regulator子系统在Linux内核中由多个组件组成，这些组件共同工作以管理电源调节器。主要组件包括：

Regulator设备

在Linux中，Regulator通常被表示为一个设备（struct regulator_dev），它包含了调节器的所有信息，例如电压范围、电流限制等。

Regulator驱动

每个Regulator都有一个与之相关联的驱动程序，负责对调节器的控制。这些驱动通常由硬件厂商提供，或者由开源社区开发。驱动程序通过与硬件的接口来控制调节器的状态。

Regulator API

Linux内核提供了一套API，允许用户空间或者其他内核模块控制调节器的行为。例如，使用 regulator_enable() 启用调节器，regulator_disable() 禁用调节器，regulator_set_voltage() 设置调节器输出的电压等。

常见的Regulator API包括：

regulator_get()：获取一个调节器设备的句柄。
regulator_enable()：启用调节器电源输出。
regulator_disable()：禁用调节器电源输出。
regulator_set_voltage()：设置调节器输出电压。
regulator_get_voltage()：获取当前调节器的输出电压。

调节器电压轨（Voltage Rail）

电压轨是指一组由同一调节器供电的电压输出。例如，1.8V电压轨可能为多个设备提供电源。一个调节器可能会为多个电压轨提供不同的输出电压。

Voltage State

调节器的电压状态通常有多个级别，可以在不同的工作模式下进行切换。调节器可以根据不同的需求切换电压。例如，在低功耗模式下，电压轨可能会降到较低的电压，而在高性能模式下，电压轨会提高。

电流限制

Regulator子系统通常也会限制其输出的最大电流，以避免过载。可以通过设置最大电流值来保护设备免受损坏。

4. 调节器的工作模式

调节器在不同的工作模式下会表现出不同的行为，以下是常见的几种工作模式：

Normal Mode：调节器根据需求提供稳定的电压输出，通常是设备的主工作模式。
Standby Mode：在此模式下，调节器的输出电压被降低或关闭，以节省功耗。此模式通常用于系统空闲时。
Shutdown Mode：调节器关闭输出电压，完全切断电源。

regulator属于电源管理部分，主要实现电压、电流的输出操作，主要介绍regulator子系统的代码实现，因此我们先熟悉一些regulator子系统的相关概念。

1.2、egulator子系统的相关概念

1. Regulator（电源调节器）

如前所述，Regulator 是负责提供稳定电压输出的硬件组件，确保系统不同部件获得所需的电压。例如，一个设备可能需要多个不同的电压轨（例如1.8V、3.3V等），调节器通过控制这些电压轨来提供电源。

Regulator 可以是 线性调节器（LDO）或 开关调节器（Buck、Boost）。
在Linux中，regulator子系统通过控制调节器的启用、禁用、设置电压等操作，来支持设备的电源需求。

2. PMIC（电源管理集成电路）

PMIC（Power Management Integrated Circuit） 是一个集成电路，集成了多个电源管理功能。它通常包括多个调节器模块（例如 LDOs 和 DCDCs），用于管理电压、调节电源、控制电池充电等任务。

PMIC 可以控制多个电源轨，并提供额外的功能，如电池充电、功率监控等。
在 Linux 内核中，PMIC 通常作为设备与调节器子系统连接的一部分，提供调节器的硬件抽象。

PMIC 也可以提供 多种电源轨管理，在复杂的嵌入式设备和移动设备中非常常见，如智能手机、平板电脑和其他便携式设备。

3. Consumer（消费者）

在电源管理中，Consumer（消费者）是指需要电源的硬件模块或设备。它通过 Regulator 或 PMIC 访问电源，获取所需的电压或电流。

Consumer 可以是 CPU、GPU、内存、显示屏、传感器等。
消费者 通过 regulator_get() API 来请求电源，调用 regulator_enable() 启用电源，并使用 regulator_set_voltage() 等 API 来调整电压。

每个 consumer 可能需要一个或多个电压轨，这些电压轨由调节器来提供。

4. Power Domain（电源域）

Power Domain（电源域） 是一组硬件组件，它们共享一个共同的电源或电源管理策略。电源域的概念有助于将系统中的硬件按照电源需求进行分组，以便动态控制这些硬件的电源状态。

每个 Power Domain 通常会有自己的 电源控制器，通过调节器来管理电源轨。
电源域的管理使得系统可以按需开启或关闭不同区域的电源，从而实现功耗优化。

例如，ARM架构的芯片（如 Qualcomm、NVIDIA 或其他 SOC）通常会划分多个电源域（如 CPU、电池管理、显示等），每个域可以独立控制电源。

Power Domain 是对多个调节器和硬件模块的一种分组，使得系统可以根据电源管理需求调整电源的启用状态。

电源域，regulator可以级联，不同的regulator的使用者属于相同的电源域。如下图的regulator，则包含三个电源域：

Domain1:switch-1、consumer D、Consumer E；

Domain2：switch-2、consumer B；

Domain3：consumer A、consumer C；

这三个电源域的关系如下：

Domain-1 --> Domain-2 --> Domain-3，在使用时domain-3下consumer相关的电压、电流设置需要满足这三级电源域的电压、电流约束。

5. Constraints（约束）

Constraints（约束） 是指在电源管理中定义的一些规则或限制条件，这些约束可以用来管理调节器的工作方式、调整电压等。约束主要用于：

限制调节器的电压范围、功率范围等。
确保电压和电流的设置不会违反硬件的设计限制（例如，不超过最大电压限制或最大电流限制）。
在动态电压调节和动态频率调节（DVFS）中，约束帮助系统根据性能和功耗需求自动调整电压和频率。

针对regulator子系统基本上就是这几个主要的概念，而linux regulator子系统的实现也是围绕着这几个概念进行子系统的框架设计的。

二、regulator子系统框架说明

针对regulator子系统主要也就包含如下几方面的设计：

提供Consumer driver interface接口，供各外设驱动接口调用，实现电源输出的使能、电源的动态调节等功能；
提供Machine interface接口，为一个regulator建立电源域（定义每一个电源域下所有consumer信息）、电源域级别的约束信息配置等；
提供Regulator driver interface接口，该部分是regulator子系统的主要功能，包含该regulator的访问方法（包含电源的使能、去使能、电源动态调节、regulator的约束信息、machine级别的约束信息等）；
提供Userspace ABI接口，和其他的驱动子系统类似，regulator子系统也提供了和应用层的交互，主要结束sysfs，实现与应用层交互。

如下是regulator子系统与内核其他子系统的关联关系：

regulator子系统的最底层为regulator device driver ，用于驱动regulator device，该regulator device driver包含操作regulator的接口、该regulator的约束信息、该regulator下domain的约束信息（这部分内容由regulator machine部分实现定义，由具体的soc board根据硬件信息，进行domain定义（该domain下使用power的consumer信息、domain的constraints等））；
该regulator 子系统提供了consumer interface，供内核其他的驱动子系统模块使用，如regulator_get、regulator_enable等接口；
该regulator子系统借助sysfs，针对该regulator device相关的属性参数，均创建相应的文件，供应用层访问。

1. Regulator 子系统的组成

Regulator 子系统的核心组件包括 regulator 驱动、consumer 设备和 regulator framework。

Regulator 驱动

Regulator 驱动是控制硬件电源调节器的驱动程序。它实现了调节器的初始化、配置、控制和状态查询等操作。每个调节器通常会有一个相应的硬件驱动，能够通过 SPI、I2C 或其他通信接口控制调节器。

调节器驱动通常会使用 regulator_register() API 注册调节器，在设备树或平台代码中定义调节器的配置。

Consumer（消费者）

在电源管理中，**Consumer（消费者）**是指需要电源的硬件模块或设备。消费者设备通过与调节器框架的交互来请求所需的电压和电流，并控制电源的启用和禁用。

常见的消费者包括 CPU、GPU、内存、传感器、显示器等。这些设备通过 regulator_get() API 获取调节器，并通过其他 API（如 regulator_enable()、regulator_set_voltage()）进行电源管理。

Regulator Framework（调节器框架）

Regulator Framework 是调节器子系统的核心部分，它提供了与硬件调节器和消费者设备交互的 API 和管理逻辑。该框架负责调度和管理调节器的启用、禁用、设置电压等操作。它还处理调节器的状态转换、约束（Constraints）和多个调节器之间的协调等任务。

框架的关键部分包括：

调节器注册与初始化：通过 regulator_register() 注册调节器，内核加载时初始化调节器的相关信息。
电压控制：通过 regulator_set_voltage() 设置调节器的输出电压。
电源管理：通过调节器框架的管理功能，消费者可以按需启用或禁用调节器，减少不必要的功耗。

2.Regulator 子系统的工作流程

调节器框架和驱动程序的协作方式如下：

调节器驱动加载：调节器驱动在系统启动时加载并初始化，通常由硬件抽象层（如设备树）或平台代码配置。
消费者请求调节器：
- 在需要电源的硬件模块（如 CPU、GPU、内存等）中，驱动程序会调用 regulator_get() API 来获取所需的调节器。通过设备树或其他方式，调节器与消费者进行绑定。
调节器启用与配置：
- 消费者设备可以通过 regulator_enable() 启用调节器，调节器开始提供电源。
- 消费者还可以使用 regulator_set_voltage() 来调整调节器的输出电压，以满足不同硬件的需求。
调节器禁用：当硬件不再需要电源时，消费者可以通过 regulator_disable() 禁用调节器，从而降低功耗。
电源约束（Constraints）：为了保证电源的稳定性，调节器和消费者之间可能存在约束。例如，某些调节器可能会被要求始终在一定电压范围内工作，或者某些设备需要多个电压轨一起工作。调节器框架提供了约束机制来确保这些规则得以遵守。