Windows Mobile电源管理分析与实现
windows mobile电源管理分析与实现
如今在以数码消费产品为代表的嵌入式系统领域，大多数系统采用电池供电，由于电池容量有限，这使得实现产品的低功耗，延长待机时间成为一个重要的课题。在已确定硬件电路功耗的情况下，提高电池电源的使用效率是实现低功耗的一个重要任务，其基本思想是在系统中没有任务等待运行时，把系统置于尽可能低的能量状态，等到有任务需要执行时，再将其快速唤醒，尽可能有效地利用功耗。
1 windows mobile中的电源管理
wince系列操作系统中的电源管理模块正是出于后者的考虑而出现的，图1为电源管理(power manager)的运行机制。该模块根据系统实际运行情况，以cpu为中心，管理器件和外设的功耗状态，实现系统在不同电源状态间的转换，从而在保证系统性能的前提下降低功耗。而windows mobile系统针对其专用于移动通信平台的特点，对电源管理部分做了进一步的定制，使其具有更好的效能，进一步提高系统的电源效率。
power manager的实现在软件上需要os内核、驱动层及应用层的协作，对于预先定义好的系统电源状态，power manager将这些状态映射到具体的cpu电源状态和设备电源状态，在系统电源状态切换时就会执行对应的cpu和外设的电源状态切换操作。
1．1 电源管理与系统其他部分的交互
在windows mobile中power manager以名为pm．dll的动态链接库形式在启动时被设备管理器de-vice．exe加载，如图2所示。
应用程序可通过api申请将系统电源置于一定的状态，同时也可申请将指定设备设置于特定的电源状态，应用程序也可以申请电源状态通知，以便在系统电源状态切换时收到消息以执行对应的操作。当需要切换系统电源状态时，电源管理模块与电源管理的设备通信，进而调用这些设备的电源相关函数，实现对这些设备的电源管理，同时如果有应用程序或设备驱动申请了电源状态通知，则电源管理模块会向消息队列中发送消息。
1．2 windows mobile中的电源状态以及状态间的切换
windows mobile有两个版本，smartphone和pocket pc，这里采用是windows mobile 6的pocketpc，它定义了以下几个电源状态(windows mobile的电源状态是不能像wince那样再定制的)：
on：用户与系统交互时的状态；
backlight off：在一段时间内(默认15 s)，如果一直没有用户操作就关闭背光，这时其他的设备都没变化；
screen off：一般由某些程序指定，才进入这个状态。比如音乐播放器程序，当你听音乐时按下某个键可以将屏幕关闭；
suspend：pocket pc的睡眠模式，几乎所有设备都被关闭，直到某个硬件设备触发中断才将系统唤醒，这是pocket pc系统中功耗最低的一个状态，对这个状态的实现直接影响到待机时间；
resuming：pocket pc被唤醒后的状态，这时屏幕是关闭的，并启动一个15 s的计时器，在这段时间内决定接下来进入哪个状态，如果计时器超时则重新回到睡眠状态；
unattended：这个状态只在pocket pc中被使用，用户对其不会有所察觉，即程序在后台执行。
这里可以用系统电源状态机来简单地描述win-dows mobile的电源管理策略。以pocket pc为例，系统电源状态机如图3所示。
系统内部的电源管理器负责协调电源状态的转换，电源状态的转换主要由计时器超时(timeout)、电源键事件(on／off event)、用户操作(user activity)等方式触发。
2 pxa270平台上电源管理的实现
电源管理的实现，涉及到系统中软件硬件的互相配合。对于软件来说，涉及到各个层面，包括windows mobile内核和设备驱动，这二者主要负责电源管理在处理器和物理外设等硬件上的实现，另外有些应用程序也会有涉及，这主要是系统电源状态与具体应用需求之间的协调。这里应用的平台是开发的基于pxa270的windows mobile智能手机平台，该平台搭载了nxp的基带处理器及其外围电路。以实现gsm通信。另外，还有蓝牙、摄像头等功能模块，因此对该平台进行电源管理优化是十分必要的。
2．1 内核电源管理的实现
2．1．1 suspend／restlume模型
对于smartphone，采用的是alwayson模型，只是在工作一段时间后关闭背光和屏幕，但是系统仍在运行。该平台实现的是pocket pc，采用suspend／re-sume模型，在系统处于空闲时，可将系统置于staspend状态，此时系统处于最低的功耗状态，在必要时再将其唤醒。在两个模型之间需要权衡，虽然always on没有休眠模式，但是suspend／resume在suspend和on之间切换也是需要消耗大量能量的。系统电源状态的切换最终会导致内核中oem函数的调用，下面重点介绍内核中电源管理的实现，在windows mobile的样例bsp中有示例代码框架在off．c和xllp_suspendan-dresume．c可供参考。
2．1．2 suspend流程
在平台实现上，切换至suspend状态时会调用oempoweroff函数，此时会将外设关闭，将pxa270处理器置于sleep模式，oempoweroff中suspend的具体流程，即xllp_suspendandresume函数如下：
(1)设置当前程序状态寄存器cpsr的i位和f位，以禁止irq和f1q中断；
(2)根据第一步中获得的地址，将power，inter-rupt，gpio，clock等硬件平台及os相关的寄存器保存在xllp_suspendandresume函数的全局变量中，即将这些寄存器的值保存于sdram中；
(3)保存arm架构下处理器模式的相关寄存器值，除了user模式的6种处理器模式，需保存的是sp，lr，和spsr。另外，fiq模式还需保存r8～r12。为了使用stmdb批拷贝指令，在此使用“伪堆栈”，即用sdram中的物理空间来模拟堆栈；
(4)配置mdrefr寄存器，设置好sdram的自刷新频率。在sleep模式下，sdram将处于自刷新状态以维持之前保持的状态数据，供系统唤醒时恢复到sus-pend之前的状态；
(5)利用pspr寄存器来保存resume参数的物理地址，如重启原因、睡眠模式等，pspr的数据在sleep时不会丢失；
(6)配置pwer，prer或pfer寄存器，以使能特定的唤醒源，这里设置rtc、来电ring中断和电源键的唤醒；
(7)保存当前处理器模式的状态寄存器，保存mmu寄存器，保存restlme的返回地址xllpres-umephase3，回写cache，配置cp14寄存器cr7，让处理器进入sleep模式。到此，pxa270进入sleep模式，系统处于suspend电源状态。
2．1．3 resume流程
总的说来，resume流程与suspend是相反的，处理器初始化之后，会载入suspend之前保存在sdram中的各种状态参数，恢复之前状态，其流程简要介绍如下：
(1)当已使能的唤醒事件发生时。处理器会从bootloader启动，进行基本的硬件初始化之后。会判断是reset，还是sleep resume，如果是后者，则会跳转到xllp_resumephase2a；
(2)在xllp_resumephase2a中首先会将保存在pspr中的参数取出，检查无错误后，重新配置好mmu，载入处理器状态寄存器和堆栈，跳转至xllpre-sumephase3；
(3)在xllpresumephase3载入所在环境的处理器状态寄存器，接着逐级返回至oempoweroff函数，在oempoweroff函数中会获得唤醒源，然后退出；
(4)此时系统由power manager置于resuming状态，power manager 根据唤醒源判断是否将系统置于on，还是继续suspend。
此时，系统状态已经恢复至睡眠之前，结束了re-sume流程，完成对系统的唤醒。
2．2 设备驱动电源管理的实现
除了对处理器的电源管理，power manager还有一个主要工作就是平台上设备的电源管理。对于只有on和off两种电源状态的设备，power manager通过deviceiocontrol在suspend和resuming时分别调用各设备驱动中实现的powerup和powerdown函数，以开启和关闭设备。在该平台上大多数设备都属于这种管理方式，包括lcd，aladio codec等，这些工作主要是在wince流驱动的iocontrol中执行一些开启或者关闭处理器i／o电源的操作。
对于gsm和蓝牙等较复杂的设备，需要能及时唤醒，如在系统suspend来电时，gsm模块需快速唤醒并做出响应，因此这些设备也支持sleep等模式。在进入suspend会相应调用这些设备驱动的sleep函数，进入设备的省电模式，而在resuming时也会调用对应的退出sleep的函数，以实现快速唤醒。
2．3 应用程序电源管理的实现
在此以自己编写的基于directdraw的照相程序为例来说明应用程序中电源管理的实现。
首先，在开启照相程序时，预览一段时间没有操作后，不希望按照定时器的值进入suspend，此时需定时修改suspendtimeout，以阻止系统进入睡眠状态。具体做法是：启动一个30 s的定时器，每30 s调用一次systemidletimerreset函数。另外，由于该照相程序是overlay显示效果，在进入拍照程序后，如果按下电源键进入suspend状态，再唤醒时系统仍处于拍照程序，但是由于pxa270的lcdcontroller没有再次创建overlay层，因此程序不能显示图像。从使用者的角度考虑，在系统reume之后照相程序应能恢复正常。做法如下：在程序中创建一个线程，用createmsgqueue创建一个消息队列，调用requestpowernotifications申请获得电源管理消息，然后调用waitforsingleob-ject等待通知，当收到suspend的消息时，对程序窗口发送重新初始化overlay的消息，在resume后，程序会马上执行重新初始化的流程，照相程序恢复正常。
3 数据分析
对系统运行时几个典型电源状态的电流值做了测量，数据如表1所示。
4 结 语
对于1 200 ma／h的电池，该智能手机平台能达到160 h左右的理论待机时间，以及3 h左右的通话时间。另外，睡眠及唤醒的响应时间也在1 s左右，表明power manager达到了提高电池电源使用效率的目标，基本满足实际应用的需求。
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backlight off：在一段时间内(默认15 s)，如果一直没有用户操作就关闭背光，这时其他的设备都没变化；
screen off：一般由某些程序指定，才进入这个状态。比如音乐播放器程序，当你听音乐时按下某个键可以将屏幕关闭；
suspend：pocket pc的睡眠模式，几乎所有设备都被关闭，直到某个硬件设备触发中断才将系统唤醒，这是pocket pc系统中功耗最低的一个状态，对这个状态的实现直接影响到待机时间；
resuming：pocket pc被唤醒后的状态，这时屏幕是关闭的，并启动一个15 s的计时器，在这段时间内决定接下来进入哪个状态，如果计时器超时则重新回到睡眠状态；
unattended：这个状态只在pocket pc中被使用，用户对其不会有所察觉，即程序在后台执行。
这里可以用系统电源状态机来简单地描述win-dows mobile的电源管理策略。以pocket pc为例，系统电源状态机如图3所示。
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对于gsm和蓝牙等较复杂的设备，需要能及时唤醒，如在系统suspend来电时，gsm模块需快速唤醒并做出响应，因此这些设备也支持sleep等模式。在进入suspend会相应调用这些设备驱动的sleep函数，进入设备的省电模式，而在resuming时也会调用对应的退出sleep的函数，以实现快速唤醒。
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