架构

Linux 系统休眠框架

为了减少系统功耗，Linux 提供了一个全面的电源管理框架。电源管理系统是一个相对广泛的子系统，涵盖了电源供应、时钟、频率、电压和系统休眠等方面。其中，系统休眠在整体功耗中起着关键作用，是本章的主要关注点。

Linux 系统休眠框架的架构如下图所示。

../../rst_linux/1_power_save/figures/sleep_framework.svg

用户空间可以通过 sysfs 层访问 PM（电源管理）核心来控制系统休眠的进入和退出。PM 核心还为内核空间提供了内核 API。挂起核心是 PM 核心的主要组成部分。由于系统休眠涉及系统的各个方面，挂起核心可能会调用其他子框架，例如中断子系统。PM 核心最终依赖于与系统休眠相关的架构依赖驱动程序，包括电源管理控制器（PMC）和外围设备的驱动程序。PMC 需要异构多处理器的参与。

该芯片采用非对称多处理器架构，其中包括 CA32、KM4 和 KM0。这些核心可以相互协作以实现更低的功耗。核心间通信通过 IPC（进程间通信）实现。PMC 协调多核心参与控制。

../../rst_linux/1_power_save/figures/multi_processors_arch.svg

使用非对称多处理器架构的另一个优点是可以在小核心上开发简单功能，从而在提供用户所需功能的同时实现低功耗。

休眠模式

由于采用多处理器架构，系统功耗可以非常低。同时，它为休眠状态提供了更多选择。目前，它支持以下休眠模式。

休眠模式

标签

描述

Active

_

  • 所有处理器都处于活动状态，并在没有任务处理时自动进入无时钟闲置状态（WFI）。

Standby

mem

  • KM0 和 KM4 处于活动状态，并在没有任务处理时自动进入无时钟闲置状态（WFI）。

  • CA32 的所有任务停止运行，核心0进入 WFI 状态，核心1关闭。

CG

cg

  • 所有处理器都处于时钟门控状态。

  • DRAM 进入低功耗状态。

用户可以通过 sysfs 接口控制休眠模式。“标签”指示在进入特定休眠模式时写入相关 sysfs 节点的值。

待机模式仅影响 CA32 本身，并不影响 KM0 和 KM4 的状态。CG（时钟门控）模式具有更深的休眠级别，其功耗远低于待机模式。CG 模式会影响所有核心和 DRAM 状态。当控制 CA32 进入 CG 模式时，CA32 将通过 IPC 通知 KM0 和 KM4 也进入 CG 模式。如果 KM4 和 CA32 处于 CG 模式，DRAM 也将进入低功耗状态。DRAM 低功耗状态意味着，如果 DRAM 是 DDR 内存，它将进入自刷新模式，这表示它会保持所有内存数据但无法被访问。该状态需要的功耗要低得多。

备注

  • PG（电源门控）模式正在开发中。它的耗电量将低于 CG 模式。

  • 功耗：PG < CG < 待机。

  • 睡眠/唤醒所耗时间：PG > CG > 待机。

用途

唤醒源配置

介绍

下面列出的外设现在可以配置为唤醒源，并且这些外设的中断可以唤醒系统。

外设和唤醒源之间的映射关系列在下表中。

外设

唤醒源

GPIOA

WAKE_SRC_GPIOA

GPIOB

WAKE_SRC_GPIOB

GPIOC

WAKE_SRC_GPIOC

TIMER1

WAKE_SRC_Timer1

TIMER2

WAKE_SRC_Timer2

TIMER3

WAKE_SRC_Timer3

TIMER4

WAKE_SRC_Timer4

TIMER5

WAKE_SRC_Timer5

TIMER7

WAKE_SRC_Timer7

RTC

WAKE_SRC_RTC

ADC

WAKE_SRC_ADC

CAPTOUCH

WAKE_SRC_CTOUCH

UART0

WAKE_SRC_UART0

UART1

WAKE_SRC_UART1

UART2

WAKE_SRC_UART2

LOGUART

WAKE_SRC_UART_LOG

备注

对于 LOGUART，在休眠和唤醒期间日志出现乱码是正常现象。

通用配置

按照以下步骤配置唤醒源，以 ADC 为例：

  1. 修改配置文件 firmware/component/soc/amebasmart/usrcfg/ameba_sleepcfg.c 中用于睡眠设置的结构体 sleep_wevent_config 。

    /*wakeup attribute can be set to WAKEUP_NULL/WAKEUP_LP/WAKEUP_NP/WAKEUP_AP*/
WakeEvent_TypeDef sleep_wevent_config[] = {
// Module                               wakeup
   {WAKE_SRC_nFIQOUT1_OR_nIRQOUT1,      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_nFIQOUT0_OR_nIRQOUT0,      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_BT_WAKE_HOST,              WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_AON_WAKEPIN,               WAKEUP_LP},
   {WAKE_SRC_WDG4,                      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_WDG3,                      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_WDG2,                      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_WDG1,                      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_UART2,                     WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_UART1,                     WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_UART0,                     WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_SPI1,                      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_SPI0,                      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_USB_OTG,                   WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_IPC_AP,                    WAKEUP_AP},
   {WAKE_SRC_IPC_NP,                    WAKEUP_NP},
   {WAKE_SRC_VADBT_OR_VADPC,            WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_PWR_DOWN,                  WAKEUP_LP},
   {WAKE_SRC_BOR,                       WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_ADC_COMP,                  WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_ADC,                       WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_CTOUCH,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_RTC,                       WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_GPIOC,                     WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_GPIOB,                     WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_GPIOA,                     WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_UART_LOG,                  WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_Timer7,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_Timer6,                    WAKEUP_NP},
   {WAKE_SRC_Timer5,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_Timer4,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_Timer3,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_Timer2,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_Timer1,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_Timer0,                    WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_WDG0,                      WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_AP_WAKE,                   WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_NP_WAKE,                   WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_AON_TIM,                   WAKEUP_NULL},
   {WAKE_SRC_WIFI_FTSR_MAILBOX,         WAKEUP_LP},
   {WAKE_SRC_WIFI_FISR_FESR,            WAKEUP_LP},
   {0xFFFFFFFF,                         WAKEUP_NULL},
};

  2. 将 WAKE_SRC_ADC 设置为 WAKEUP_AP ，告知系统将 ADC 中断视为唤醒事件。

    {WAKE_SRC_ADC,    WAKEUP_AP},

    当 ADC 中断发生时，它将唤醒系统。

  3. 重新编译并下载固件以应用新的设置。

一旦将包含更新的休眠配置的固件编入设备并使系统进入休眠模式，如果发生 ADC 中断（例如，由于某些根据用户需求预定义的条件），它将触发系统从休眠中唤醒。

特殊配置

一些外设除了常规配置外，还有额外的配置。

OSC4M

ADC、CAPTOUCH、UART、LOGUART 在休眠模式下需要 OSC4M 来驱动。用户应在 firmware/component/soc/amebasmart/usrcfg/ameba_sleepcfg.c 文件中的结构体 ps_config 中将 keep_OSC4M_on 配置为 TRUE，以启用 OSC4M。

PSCFG_TypeDef ps_config = {
   .km0_tickles_debug = TRUE, /* if open Wi-Fi FW, should close it, or beacon will lost in WOWLAN */
   .km0_pg_enable = FALSE,
   .km0_pll_off = TRUE,
   .km0_audio_vad_on = FALSE,
#if defined(CONFIG_CLINTWOOD ) && CONFIG_CLINTWOOD
   .km0_config_psram = FALSE, /* if device enters sleep mode or not, false for keep active */
   .km0_sleep_withM4 = FALSE,
#else
   .km0_config_psram = TRUE, /* if device enters sleep mode or not, false for keep active */
   .km0_sleep_withM4 = TRUE,
#endif
   .keep_OSC4M_on = TRUE,
   .xtal_mode_in_sleep = XTAL_OFF,
   .swr_mode_in_sleep = SWR_PFM,
};

用户空间开发

用户可以通过 sysfs 配置睡眠模式。以下表格列出了 sysfs 中与睡眠相关的常用文件。

文件

描述

/sys/power/state

无条件地进入某个级别的睡眠模式

/sys/power/wakeup_count

用于用户空间和内核空间唤醒事件的同步机制

/sys/power/autosleep

机会性休眠，当没有唤醒锁时会自动进入某个级别的睡眠模式。

/sys/power/wake_lock

将一个值写入此文件会添加一个唤醒锁，而唤醒锁的存在将阻止自动休眠

/sys/power/wake_unlock

将一个值写入此文件将清除一个唤醒锁

无条件休眠

要无条件进入睡眠模式，请使用以下命令：

echo label > /sys/power/state

标签的值可以是 mem 或 cg ，分别代表待机模式和 CG 模式。

唤醒计数

有时系统不应无条件进入睡眠模式，因为此时可能会发生唤醒事件；否则，唤醒事件可能会丢失。因此，Linux 提供了唤醒计数，这是一种在用户空间和内核空间之间用于睡眠和唤醒事件的同步机制。

其典型的使用过程如下：

  1. 读取 wakeup_count 的数值。

  2. 如果读取成功，则将读取的值写回到 wakeup_count ；否则，继续读取。

  3. 如果写入成功，则表示内核允许进入睡眠；否则，重复上述过程。

  4. 进入休眠模式。

参考 <test>/pm_wakeup_count 获取更多信息。

自动睡眠和唤醒锁

自动睡眠，也称为机会性睡眠，意味着随时准备进入睡眠模式。唤醒锁能够防止系统进入睡眠模式。唤醒锁可以有多个，目前内核将唤醒锁的数量限制为 100 个。

  1. 将所需的值写入 /sys/power/wake_lock 将创建一个唤醒锁：

    echo wakelock1 > /sys/power/wake_lock

  2. 将所需的值写入 /sys/power/wake_unlock 将释放唤醒锁：

    echo wakelock1 > /sys/power/wake_unlock

  3. 查看所有的唤醒锁：

    cat /sys/power/wake_lock

  4. 启用自动睡眠后，当 /sys/power/wake_lock 为空时，系统将自动进入睡眠模式：

    echo label > /sys/power/autosleep

    标签的值可以是 mem 和 cg ，类似于无条件睡眠（/sys/power/state）。

  5. 停止自动睡眠：

    echo off > /sys/power/autosleep

参考 <test>/pm_wakelock 获取更多信息。

备注

唤醒锁只能阻止自动睡眠（/sys/power/autosleep），而不能阻止无条件睡眠（/sys/power/state）。

内核接口（APIs）

接口

描述

pm_stay_awake

通知内核正在处理唤醒事件，从而防止内核进入睡眠模式

pm_relax

唤醒事件处理完成

pm_wakeup_event

通知内核唤醒事件将在指定时间内处理

在内核中配对使用 pm_stay_awake 和 pm_relax 可以控制是否进入睡眠模式。

KM0 上的应用程序开发

由于 CA32 和 DRAM 的高功耗，用户可以在 KM0 上开发一些简单的应用程序，这样可以让 CA32 和 DRAM 进入低功耗模式，从而达到良好的省电效果。

备注

KM0 运行 FreeRTOS 操作系统。

默认情况下，当 CA32 和 KM4 都处于 CG 模式时，KM0 也会自动进入 CG 模式。与 Linux 类似，KM0 也提供了一个唤醒锁机制以限制其进入睡眠模式。因此，用户可以在 KM0 上设置唤醒锁，然后在 Linux 端进入 CG，这样 CA32、KM4 和 DRAM 就会进入低功耗模式，而 KM0 和 SRAM 可以继续运行。

KM0 预定义了一些唤醒锁，这些唤醒锁位于 firmware/source/component/soc/amebasmart/misc/ameba_pmu.h 中。用户也可以添加新的唤醒锁。

typedef enum {
   PMU_OS             = 0,
   PMU_WLAN_DEVICE    = 1,
   PMU_KM4_RUN        = 2,
   PMU_AP_RUN         = 3,
   PMU_BT_DEVICE      = 4,
   PMU_VAD_DEVICE     = 5,
   PMU_DEV_USER_BASE  = 6, /*number 6 ~ 31 is reserved for customer use*/
   PMU_MAX,
} PMU_DEVICE;

如果用户希望在 KM0 上使用 UART0 传输数据并且不希望 KM0 进入睡眠模式，则应在应用程序中添加以下代码以获取唤醒锁。

pmu_acquire_wakelock(PMU_UART0_DEVICE);

释放唤醒锁的方法是：

pmu_release_唤醒锁(PMU_UART0_DEVICE);

如果所有唤醒锁都被释放，KM0 将进入睡眠模式。