【Linux内核专栏 15】电源管理

15 · 电源管理

本篇定位:嵌入式和移动设备,省电是硬指标。FreeRTOS 用 tickless idle + WFI;Linux 有完整电源管理框架:cpuidle(空闲状态)、cpufreq(频率调节)、Runtime PM(运行时按需开关设备)、系统级 suspend/hibernate、wakeup source(唤醒源)。本篇讲清这套,读完能给设备配省电策略、能调"为什么设备不休眠"。

Linux 电源管理是tickless/WFI 的系统化扩展 FreeRTOS 省电:tickless idle(进 WFI,停 tick)。Linux 省电复杂得多:① cpuidle(多级空闲状态,浅睡/深睡);② cpufreq(动态调频,按负载);③ Runtime PM(设备不用就关);④ suspend(整机睡眠);⑤ wakeup source(什么能唤醒)。增量是"多级 + 设备级 + 系统级"。WFI 是 cpuidle 最浅一级。

目录

• 15 · 电源管理
• 一、电源管理的层次
• 二、cpuidle:CPU 空闲状态
• • 2.1 为什么多级空闲
  • 2.2 idle state
  • 2.3 RISC-V idle
  • 2.4 看 cpuidle
  • 2.5 对照 FreeRTOS tickless
• 三、cpufreq:动态调频(DVFS)
• • 3.1 DVFS 是什么
  • 3.2 cpufreq 框架
  • 3.3 governor(策略)
  • 3.4 看与配
  • 3.5 OPP(Operating Performance Points)
• 四、Runtime PM:设备运行时电源管理⭐
• • 4.1 为什么 Runtime PM
  • 4.2 Runtime PM API
  • 4.3 runtime PM callback
  • 4.4 引用计数
  • 4.5 autosuspend(延迟挂起)
  • 4.6 看 Runtime PM
• 五、系统级 Suspend(睡眠)
• • 5.1 suspend 状态
  • 5.2 suspend 流程
  • 5.3 沿设备树级联(10 篇)
  • 5.4 PM QoS(电源管理服务质量)
  • 5.5 触发 suspend
• 六、wakeup source(唤醒源)
• • 6.1 什么是唤醒源
  • 6.2 注册唤醒源
  • 6.3 看唤醒源
  • 6.4 唤醒原因排查
• 七、clock 和 regulator 框架
• • 7.1 clock framework
  • 7.2 regulator framework
  • 7.3 与 PM 关系
• 八、PM ops 完整结构
• 九、嵌入式省电策略
• • • 9.1 常见策略
  • 9.2 嵌入式典型场景
  • 9.3 调试省电
• 十、对照总表
• 十一、本篇小结
• 速查表

一、电源管理的层次

系统级: suspend(sleep) / hibernate(磁盘) / shutdown
│
子系统级: Runtime PM(设备按需开关)
│
CPU 级: cpufreq(调频) + cpuidle(空闲状态)
│
硬件: DVFS(电压频率) / WFI / clock gating / power gating

二、cpuidle:CPU 空闲状态

2.1 为什么多级空闲

• CPU 空闲可进不同睡眠深度
• 浅睡(WFI):唤醒快,省电少
• 深睡(power gating):唤醒慢,省电多
• cpuidle 框架:按预计空闲时间选最优状态

2.2 idle state

struct cpuidle_state {
char name[CPUIDLE_NAME_LEN];
unsigned int flags;
int (*enter)(struct cpuidle_device *dev,
struct cpuidle_driver *drv, int index);
int exit_latency; // 退出延迟(μs,唤醒要多久)
int target_residency; // 目标驻留(μs,至少睡这么久才划算)
int power_usage; // 功耗(mW)
...
};

• 每个 state 有退出延迟 + 目标驻留
• idle 时间短选浅睡(快醒),长选深睡(省电)

2.3 RISC-V idle

• 最浅:WFI(Wait For Interrupt),指令进低功耗
• 更深:SoC 特定(关 PLL/关域)
• cpuidle driver 注册多级

2.4 看 cpuidle

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpuidle/state*/name
# WFI
# RETENTION
# POWER_OFF

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpuidle/state*/disable
# 0 (0=启用,1=禁用某状态)

2.5 对照 FreeRTOS tickless

tickless WFI 是 cpuidle 最浅级 FreeRTOS tickless 进 WFI——Linux cpuidle 的最浅 state(WFI)。Linux 多了深睡状态(关域/关 PLL),按空闲时长选。增量是多级 + 智能选择。WFI 经验直接迁移,新增"深睡的延迟/驻留权衡"。

三、cpufreq:动态调频(DVFS)

3.1 DVFS 是什么

• Dynamic Voltage and Frequency Scaling
• 负载低降频降压(省电),负载高升频升压(性能)
• CPU + 调频驱动 + governor(策略)

3.2 cpufreq 框架

struct cpufreq_driver {
int (*init)(struct cpufreq_policy *policy);
int (*setpolicy)(...); // 设策略
int (*target_index)(...); // 设频率
...
};

struct cpufreq_governor {
int (*throttle)(...);
unsigned int (*get)(...);
...
};

• driver:硬件操作(SoC 调频接口)
• governor:策略(什么时候调多少)

3.3 governor(策略)

3.4 看与配

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_available_governors
# ondemand performance powersave …

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq
# 1200000 (1.2 GHz)

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_available_frequencies
# 400000 800000 1200000 1600000

# 改 governor
echo performance > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

# 设固定频率
echo 800000 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_setspeed

3.5 OPP(Operating Performance Points)

• SoC 定义的"频率+电压"组合
• DTS 描述:operating-points-v2
• 调频驱动据 OPP 切换

cpu0_opp_table: opp-table {
compatible = "oper-points-v2";
opp-400M { opp-hz = <400000000>; opp-microvolt = <900000>; };
opp-1G { opp-hz = <1000000000>; opp-microvolt = <1100000>; };
};

四、Runtime PM:设备运行时电源管理⭐

4.1 为什么 Runtime PM

• 设备不忙时关它(省电),要用时开
• 不等整机 suspend,运行时动态开关
• 例:USB 设备空闲自动挂起

4.2 Runtime PM API

// 设备结构(继承 device,10 篇)
struct device {
...
struct dev_pm_info power; // PM 状态
...
};

// 驱动用:
pm_runtime_get_sync(dev); // 标记"要用",+1 计数,若 0→1 调 resume
pm_runtime_put_sync(dev); // 标记"用完",-1,若 1→0 调 suspend

// 或自动:
pm_runtime_enable(dev);
pm_runtime_set_autosuspend_delay(dev, 2000); // 空闲 2s 后自动挂起
pm_runtime_use_autosuspend(dev);
pm_runtime_mark_last_busy(dev);

4.3 runtime PM callback

struct dev_pm_ops {
int (*runtime_suspend)(struct device *dev); // 挂起
int (*runtime_resume)(struct device *dev); // 恢复
int (*runtime_idle)(struct device *dev); // 空闲(可决定挂起)
...
};

// 驱动注册
static const struct dev_pm_ops my_pm = {
SET_RUNTIME_PM_OPS(my_runtime_suspend, my_runtime_resume, NULL)
};

4.4 引用计数

• pm_runtime_get:计数 +1(要用)
• pm_runtime_put:计数 -1(用完)
• 计数 > 0:设备活跃
• 计数 = 0:可挂起
• 计数 0→1:调 resume;1→0:调 suspend

4.5 autosuspend(延迟挂起)

• 不是用完立刻挂起(频繁开关损耗)
• 空闲 N 秒后才挂起
• pm_runtime_mark_last_busy + autosuspend_delay

Runtime PM 是设备级省电,你裸机手动开关外设 裸机省电:不用 UART 时手动关时钟。Linux Runtime PM 框架化:驱动实现 suspend/resume 回调,框架管引用计数,自动开关。写驱动加 dev_pm_ops,框架管时机。

4.6 看 Runtime PM

cat /sys/devices/.../power/control
# on (on=禁止自动挂起,auto=允许)

cat /sys/devices/.../power/runtime_status
# active / suspended / suspending / resuming

echo auto > /sys/devices/.../power/control # 允许自动
echo on > /sys/devices/.../power/control # 禁止(常开)

五、系统级 Suspend(睡眠)

5.1 suspend 状态

5.2 suspend 流程

echo mem > /sys/power/state
→ 内核 suspend 流程:
1. 冻结用户进程(信号停止)
2. 通知所有设备 suspend(dev_pm_ops.suspend)
3. 关中断
4. 关 CPU(进睡眠)
… 等唤醒 …
唤醒:
5. 唤醒源触发
6. 恢复 CPU
7. 开中断
8. resume 设备(逆序)
9. 解冻进程

5.3 沿设备树级联(10 篇)

• suspend 按设备树深度优先逆序:先子后父
• resume 按设备树顺序:先父后子
• 父设备(总线)先 resume,子设备才能用

5.4 PM QoS(电源管理服务质量)

• 约束"不能睡太深"或"必须快醒"
• 例:音频要低延迟,不能进深睡
• pm_qos_add_request 加约束

5.5 触发 suspend

echo mem > /sys/power/state # 挂起到内存
echo disk > /sys/power/state # 休眠
echo freeze > /sys/power/state # 仅冻结

# 看支持的状态
cat /sys/power/state
# freeze mem disk

六、wakeup source(唤醒源)

6.1 什么是唤醒源

• 系统睡眠时,只有特定源能唤醒(中断)
• wakeup source 标记"我能唤醒系统"
• 例:电源键、网络(Wake-on-LAN)、RTC 闹钟、GPIO

6.2 注册唤醒源

// 设备启用唤醒能力
device_set_wakeup_capable(dev, true);
device_wakeup_enable(dev);

// 中断唤醒(IRQF 之外)
enable_irq_wake(irq); // 让该中断能唤醒
disable_irq_wake(irq);

6.3 看唤醒源

cat /proc/acpi/wakeup # x86
cat /sys/kernel/debug/wakeup_sources # 通用

# 看哪些设备能唤醒
for d in /sys/devices/*/*/power/wakeup; do
echo "$d: $(cat $d)"
done

6.4 唤醒原因排查

# 看上次唤醒原因
cat /sys/kernel/debug/wakeup_sources
# active_count / event_count / wakeup_count / expire_count
# last_time / max_time / total_time

嵌入式唤醒调试是难点 嵌入式产品:“睡眠了但被意外唤醒"或"睡眠后唤醒不来”。排查:① /sys/kernel/debug/wakeup_sources 看哪个源触发;② 检查设备 wakeup_enabled;③ enable_irq_wake 是否对。这是嵌入式 BSP 省电调试的核心。

七、clock 和 regulator 框架

7.1 clock framework

• SoC 时钟树复杂(PLL/分频/gating)
• clock framework 统一管理
• 驱动 clk_get/clk_prepare_enable/clk_disable_unprepare

struct clk *clk = clk_get(dev, NULL);
clk_prepare_enable(clk); // 开时钟
// 用设备
clk_disable_unprepare(clk);

7.2 regulator framework

• 电源调节器(LDO/DCDC)
• 驱动 regulator_get/regulator_enable/regulator_set_voltage

struct regulator *r = devm_regulator_get(dev, "vdd");
regulator_enable(r);
regulator_set_voltage(r, 1100000, 1100000);

7.3 与 PM 关系

• cpufreq 调频要同步调压(调 regulator)
• suspend 关时钟(clock gating)
• DVFS = clock(频率)+ regulator(电压)联动

八、PM ops 完整结构

struct dev_pm_ops {
/* 系统 suspend/resume */
int (*suspend)(...); int (*resume)(...);
int (*freeze)(...); int (*thaw)(...);
int (*poweroff)(...); int (*restore)(...);
/* Runtime PM */
int (*runtime_suspend)(...);
int (*runtime_resume)(...);
int (*runtime_idle)(...);
/* … 完整版更多 */
};

// 驱动用宏简化
static const struct dev_pm_ops my_pm = {
SET_SYSTEM_SLEEP_PM_OPS(my_suspend, my_resume) // 系统 suspend
SET_RUNTIME_PM_OPS(my_rt_suspend, my_rt_resume, NULL) // Runtime PM
};

• 系统 suspend 和 Runtime PM 是两套
• 驱动可只实现一套或都实现

九、嵌入式省电策略

9.1 常见策略

9.2 嵌入式典型场景

• 电池产品(手持):cpufreq ondemand + cpuidle 深睡 + Runtime PM + 空闲 suspend
• 常电产品( plugged):cpufreq performance + 禁深睡(低延迟优先)
• 边缘 AI:高性能时全频,空闲降频

9.3 调试省电

# 看功耗(若有功率计)
# 看 CPU 频率/状态
cat /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_cur_freq
cat /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpuidle/state*/usage

# 看设备 PM 状态
cat /sys/devices/.../power/runtime_status

# 看唤醒源
cat /sys/kernel/debug/wakeup_sources

# powertop(省电分析工具)
powertop

嵌入式视角:powertop 是省电调优利器 Ubuntu 有 powertop,扫系统给出"哪些设备可省电"“哪些 wakeup 频繁”。嵌入式虽不一定有 powertop,但思路通用:① 找异常活跃设备;② 禁不必要唤醒;③ 配 Runtime PM。你 AEGIX 省电产品可参考。

十、对照总表

十一、本篇小结

• cpuidle:CPU 空闲多级状态(WFI 浅/深睡),按预计空闲时间选,exit_latency/target_residency 权衡
• cpufreq:DVFS 动态调频,governor(performance/ondemand/schedutil),DTS OPP 描述频率电压
• Runtime PM:设备运行时按需开关,引用计数(pm_runtime_get/put),autosuspend 延迟挂起,dev_pm_ops runtime_suspend/resume
• 系统 suspend:freeze/standby/mem/disk,沿设备树级联(子先 suspend,父先 resume)
• wakeup source:标记能唤醒系统的源,enable_irq_wake,排查 /sys/kernel/debug/wakeup_sources
• clock framework:统一时钟管理(clk_prepare_enable);regulator framework:电源调压
• PM ops:系统 suspend 和 Runtime PM 两套,SET_SYSTEM_SLEEP_PM_OPS / SET_RUNTIME_PM_OPS
• 嵌入式省电:cpufreq ondemand + cpuidle 深睡 + Runtime PM + 空闲 suspend + 只留必要唤醒源
• FreeRTOS tickless WFI = cpuidle 最浅级,增量是多级 + 设备级 + 系统级

速查表

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