Zephyr的Power Management

1 关于Zephyr

Zephyr是Linux基金会维护的微内核项目，来源于WindRiver向Zephyr捐赠的Rocket RTOS内核。主要用于开发针对物联网设备的实时操作系统。

Zephyr操作系统很小、具有扩展性并且专为小型物联网设备设计，它的模块化设计使不论采用哪个架构创建物联网方案，都能满足所有设备的需求。

相关资源：

Zephyr官网提供了相关帮助文档，并且在github维护了Zephyr Kernel和Zephyr SDK Tools。

2 Zephyr的Power Management介绍

参考Zephyr的Power Management帮助文档总结如下。

首先对Zephyr功耗管理相关属于进行了介绍Terminology，然后是对Zephyr功耗管理总体介绍Overview，包括Tickless Idle、系统层面的功耗管理System Power Management和设备功耗管理Device Power Management Infrastructure。

平台级的功耗机制Power Schemes包括两种SYS_PM_LOW_POWER_STATE和SYS_PM_DEEP_SLEEP两种。

最后是对Zephyr功耗管理配置Power Management Configuration Flags包括一个总开关CONFIG_SYS_POWER_MANAGEMENT和针对Tickless Idle、SoC和Device的配置。

Power Management APIs单独对System和Device相关API进行了介绍。

2.1 相关术语

CPU LPS(Low Power State)：可以指任何CPU支持的低功耗状态。

Deep SLeep State：此时CPU供电被切断并且会丢失执行上下文，大部分外设被断电，RAM可能处于自刷新状态。

Idle Thread：在所有其他线程都不运行时，进入Idle线程。这里面进行了低功耗相关处理。

Power Gating：通过关闭不被使用模块的供电来达到降低功耗。

2.2 概述

Zephyr的PM子系统采用了分层思想，剥离特定架构和SoC相关部分，提取公共部分作为核心。SoC特殊部分被抽象到HAL层。

Zephyr的功耗管理主要分为三部分：Tickless Idle、System Power Management和Device Power Management。

2.3 Tickless Idle

Zephyr的调度器可以运行在两种模式。

在有线程执行的正常模式，使用周期性定时器，调度器运行在周期调度模式。

当Idle线程被调度到的时候，idle线程会将定时器修改成单次触发模式，并将睡眠值取最近一次timeout值。

这就保证在timeout超时之前调度器已经进入周期性工作模式。

Zephyr(Cortex-M) 初始化的时候创建了idle线程，idle线程是系统功耗处理的主要入口。

_PrepC(reset.S)-->
    _Cstart(prep_c.c)-->
        prepare_multithreading(init.c)-->初始化内核数据结构，包括main/idle线程以及架构相关初始化
            _IntLibInit
            _main
            idle(idle.c)-->idle线程函数
                _sys_power_save_idle-->
                    _sys_soc_suspend-->
            initialize_timeouts
            kernel_arch_init
        switch_to_main_thread(init.c)-->

_sys_power_save_idle的参数是系统最近一次timer超时tick数。这个参数通过_get_next_timeout_expiry获取。

/* find the closest deadline in the timeout queue */

static inline s32_t _get_next_timeout_expiry(void)
{
    struct _timeout *t = (struct _timeout *)
                 sys_dlist_peek_head(&_timeout_q);------------从_timeout_q获取最近一次timer的_timeout

    return t ? t->delta_ticks_from_prev : K_FOREVER;
}

2.4 System Power Management

系统进入退出退出Idle的时候，会调用相关钩子函数进行suspend/resume处理。

2.4.1 进入低功耗模式

_sys_soc_suspend是进入系统级低功耗的入口，入参是idle可以持续时间。

里面具体的实现是SoC相关的，根据SoC的特性采取不同的睡眠策略，在某些情况下甚至需要关闭外设。

一般情况下都会在真正睡眠前，设置一个唤醒事件，然后才会进入睡眠。

prepare_multithreading-->
    idle-->Idle线程
        _sys_power_save_idle-->
            _sys_soc_suspend-->SoC相关低功耗钩子函数

__sys_soc_suspend的实现一般根据可睡眠时间来决定睡眠状态，时间长可以进入深度睡眠。

Parameters
ticks: the upcoming kernel idle time
Return Value
SYS_PM_NOT_HANDLED: If low power state was not entered.
SYS_PM_LOW_POWER_STATE: If CPU low power state was entered.
SYS_PM_DEEP_SLEEP: If SOC low power state was entered.

2.4.2 退出低功耗模式

_sys_soc_resume和_sys_soc_resume_from_deep_sleep是两个弱类型钩子函数，都是在退出低功耗模式时回调。

_sys_soc_resume是否执行要根据_sys_pm_idle_exit_notify是否有效，在_sys_soc_suspend返回SYS_PM_NOT_HANDLED情况下需要进行特殊处理。

_timer_int_handler-->
_arch_isr_direct_pm-->
_isr_wrapper-->
    _sys_power_save_idle_exit-->
        _sys_soc_resume

_sys_soc_pm_idle_exit_notification_disable用于关闭退出低功耗模式通知。

系统级别的低功耗模式有三种：

状态	注释
SYS_PM_ACTIVE_STATE	正常工作状态。
SYS_PM_LOW_POWER_STATE	浅度低功耗模式，CPU上下文没有丢失。
SYS_PM_DEEP_SLEEP	深度低功耗模式，CPU会被断电，并且需要保存恢复上下文。甚至需要关闭外设。

2.5 Device Power Management Infrastructure

Zephyr关于设备的功耗管理有两种方式：一种是各设备自觉维护的分布式方式，另一种是在suspend过程中对所有设备进行suspend处理的集中管理方式。

每个设备自觉维护本身的低功耗状态，不但在系统运行时更加节省功耗，同时也能加速系统进入suspend状态的流程。

设备的低功耗状态有四种：

状态	注释
DEVICE_PM_ACTIVE_STATE	正常工作模式，设备上下文都保持。
DEVICE_PM_LOW_POWER_STATE	设备自身维护设备上下文，不需要驱动恢复。
DEVICE_PM_SUSPEND_STATE	设备丢失上下文，驱动需要保存然后恢复上下文。
DEVICE_PM_OFF_STATE	对设备断电，上下文丢失，需要重新初始化设备。

Device Model with Power Management Support

在注册设备的时候，如果使能Device PM的话，需要实现功耗处理函数。

DEVICE_DEFINE在初始化驱动的时候填充pm_control_fn，就提供了设备功耗管理的接口。

如果设备不需要功耗管理接口，使用DEVICE_AND_API_INIT。默认功耗接口就是一个空函数device_pm_control_nop。

#define DEVICE_DEFINE(dev_name, drv_name, init_fn, pm_control_fn, \
              data, cfg_info, level, prio, api) \
    \
    static struct device_config _CONCAT(__config_, dev_name) __used \
    __attribute__((__section__(".devconfig.init"))) = { \
        .name = drv_name, .init = (init_fn), \
        .device_pm_control = (pm_control_fn), \
        .config_info = (cfg_info) \
    }; \
    static struct device _CONCAT(__device_, dev_name) __used \
    __attribute__((__section__(".init_" #level STRINGIFY(prio)))) = { \
         .config = &_CONCAT(__config_, dev_name), \
         .driver_api = api, \
         .driver_data = data \
    }

struct device_config {
    char    *name;
    int (*init)(struct device *device);
#ifdef CONFIG_DEVICE_POWER_MANAGEMENT
    int (*device_pm_control)(struct device *device, u32_t command,
                  void *context);
#endif
    const void *config_info;
};

每个驱动都需要实现device_pm_control，其中command是DEVICE_PM_SET_POWER_STATE或者DEVICE_PM_GET_POWER_STATE，用于设置或者获取当前设备功耗状态。context是device的功耗状态。

Device Power Management API

获取当前系统设备列表：

void device_list_get(struct device **device_list, int *device_count)

设置当前设备状态：

int device_set_power_state(struct device *device, u32_t device_power_state);

获取当前设备状态：

int device_get_power_state(struct device *device, u32_t * device_power_state);

其他相关API：

void device_busy_set(struct device *busy_dev)----------置当前设备忙位
void device_busy_clear(struct device *busy_dev)--------清当前设备忙位
int device_any_busy_check(void)------------------------检查所有设备忙状态
int device_busy_check(struct device *chk_dev)----------检查当前设备忙位

2.6 Zephyr PM配置

Flag	解释
CONFIG_SYS_POWER_MANAGEMENT	功耗管理子系统的开关
CONFIG_TICKLESS_IDLE	Tickless Idle功能开关
CONFIG_SYS_POWER_LOW_POWER_STATE	SYS_PM_LOW_POWER_STATE机制的开关
CONFIG_SYS_POWER_DEEP_SLEEP	SYS_PM_DEEP_SLEEP 机制的开关
CONFIG_DEVICE_POWER_MANAGEMENT	各种外设的低功耗管理开关

3 其他相关资料

Zephyr Project Document 1.3.0介绍了Zephyr的开发环境、内核以及应用程序开发方方面面。