RT-Thread-嵌入式低功耗电源管理框架设计 - 软件规格说明RT-Thread问答社区

嵌入式低功耗电源管理框架设计 - 软件规格说明

发布于 2021-08-29 14:12:20 浏览：1963 订阅该版

[tocm]

[RT-Thread 电源管理与功耗调优系列 - 目录](https://club.rt-thread.org/ask/article/3419.html)

## 概述

## 目标

本篇的目标是介绍低功耗电源管理框架设计的概念

- 理解低功耗管理的重要性

- 理解如何开发适合的低功耗管理框架

- 理解如何去管理产品的功耗

## 形势

- 大多数的嵌入式产品非常注重低功耗设计，尤其近年来，硬件不断的更新换代，处理器的设计越来越复杂，资源也越来越丰富，很多嵌入式产品都开始使用嵌入式操作系统，如RTOS，以降低开发难度，加快产品开发效率，缩短产品交付时间。

- 电源管理、低功耗管理在多任务的操作系统下，控制与管理起来，会越来越困难，负责功耗的工程师，不仅需要掌握必备的硬件知识，还需要熟悉操作系统，设备驱动，需要设计适合产品的电源管理系统，甚至还需要了解生产测试、熟悉产品的策划、业务，并兼顾性能、功能指标等。

- 如今嵌入式产品的开发周期、上市周期，都比较短，很多从事Android、PC、Linux、裸机产品开发的工程师，面对低功耗的管理，不仅需要从原理上理解如何管理，还需要动手设计管理框架、功耗测量与拆解、功耗调优的方法的探索与验证，甚至需要与多个领域【谈判】如何兼顾功能、性能等产品指标。

- 很多嵌入式产品，如一些基于电池供电的可穿戴产品，体积小，电池容量小，根据产品的定义，会把【产品续航】作为一项重要的【卖点】，可能会组织一个团队去攻关【功耗管理】

## 开发功耗管理框架

- 并不是每个公司在产品开发时，都需要自己开发电源管理框架，因为功耗管理本身是【实践性】的，框架开发一般由参与过功耗管理的人员开发会更实用。开发框架意味着增加了很多的额外工作量与开发周期。

- 目前部分操作系统，都有默认的PM电源管理框架，不过，并不适合所有产品的功耗管理，可能需要改进、重构以适合特殊产品的功耗管理，如有些产品只需要【睡眠管理】，有些产品还需要【变频管理】。

- 低功耗电源管理框架，用于功耗的管理，一般用于多任务的操作系统中，为用户提供较好的应用接口（API），用户可以不关心框架本身的运行机制，只需要根据框架提供的功能进行管理即可。这大大减轻功耗管理的工作量，缩短功耗管理周期，用户只需要关心如何调优功耗。

- 如RT-Thread操作系统，有PM电源管理组件，提供基本的【睡眠】【变频】机制，可以运行【Tickless】，适合大部分产品的功耗管理。

- 接下来会基于RT-Thread PM框架，开发一个低功耗管理软件包，基于实际功耗管理经验，特点：轻量、易用、敏捷。

## 如何管理产品的功耗

- 前面有些功耗管理的文章，多多少少提到一些基本的概念

- 必备的【硬件、器件】知识，能动手焊接、拆解、通过硬件手册，了解各个芯片、电源回路的供电方式、特点、功耗组成。

- 初步的【驱动开发】能力，能熟悉操作系统基本的概念，理解电源管理框架的原理，动手编写功耗调试代码，【拆解功耗】【分析功耗】【调优功耗】

- 初步的【应用开发】能力，了解业务的基本工作流程，能看懂别人的业务代码，能懂得如何加入功耗管理代码，进行开关逻辑、任务运行与空闲的睡眠控制。

- 必要的【表达沟通】能力，会与各个领域沟通，完成功耗开发任务。【王者】级别的功耗管理，需要带动整个产品开发线：硬件、生成、测试、驱动、操作系统、GUI、策划、管理层，让他们意识到功耗管理的【重要性】，意识到不搞好电源管理，会带来：开关逻辑不合理、资源不够用、系统卡顿、死机重启、无法正常的开关机、产品变砖、发热发烫、续航短等等各种问题。

- 实践发现，功耗管理具备以上的几个条件，则产品功耗管理与开发产品其他功能一样，进展会比较的【顺利】

## 现有电源管理框架

- 大部分的操作系统，如RT-Thread，拥有PM组件，但可能不具备轻量、简单易用等问题，用户理解或使用起来比较的困难

- 如RT-Thread Nano版本，没有设备管理的概念，如何使用PM管理框架？

- 部分处理器本身资源如Flash、RAM不多，如何使用轻量的管理框架也可实现功耗的管理

- 基于以上的考量决定开发一个PM功耗管理的轻量版本

## 开发路线

- 软件包命名：LPMS：Low-Power Management System，低功耗电源管理系统

- 方便移植、易于定制，让用户使用、定制起来更便捷。

- 把功耗管理系统做成一个软件包，易于更新迭代，用户简单适配后立即使用，方便功耗的管理，

- 用户喜欢精简的调试手段，简单的请求、释放，功耗管理框架运行原理简单、可靠、易懂。

- 增加用户配置的灵活性，简化睡眠管理、变频管理、Tickless运行机制更清晰

- 使用功耗模块id，使用状态位，不使用设备管理，易于功耗的调试，并占用较少的ROM、RAM等资源

- 使用功耗模块id，移除睡眠、变频的引用计数，简化用户功耗管理

- 请求高频立即变频、请求低频在空闲线程（idle）中变频、请求的频率不变则不进行变频的【变频管理】

- 【睡眠执行】依旧在空闲线程(idle)中

## 为何使用模块ID而不使用设备（Device）

- LPMS 管理块，不在使用设备（Device）管理，无须注册设备，无须注册通知【Notify】，无须设置名字。

- 电源管理采用【化整为零】的思路，拆解为一个个模块，如一个线程或一个外设，只需要一个模块id标识，改为一个bit位，不使用字符串名称。模块id采用【位图】的管理方式，如请求为位置1，释放为位清0，【睡眠】【变频】模式的判断决策更快。

## LPMS的组成

- `pms.c pms.h` 电源管理框架主文件，尽量实现【可配置】，平台无关。

- `pms_config.h` 用于用户自定义的配置、功耗模块id定义等

- `pms_drv.c pms_drv.h`，用于【平台适配】

- `pms_timer.c pms_timer.h`，用于【低功耗定时器】，实现tickless运行与系统时钟补偿

- 其他：Demo验证工程，验证pm管理框架的功能实现

## LPMS的发布

- LPMS 暂时采用软件包的方式，易于快速的更新迭代

- LPMS 适配 RT-Thread，也就是标配版、Nano版本，均可以使用

- LPMS 可以移植适配到其他的RTOS上

## LPMS的管理维护

- 暂时采用`gitee`管理，后期再使用`github`（网络不稳定）

- 欢迎各位使用、提建议、维护、提交PR（代码）

## LPMS的愿景

- 开源

- 敏捷

- 免费

- 简单

- 高效

## 软件包地址

[https://gitee.com/zhangsz0516/lpms](https://gitee.com/zhangsz0516/lpms)
[https://gitee.com/zhangsz0516/stm32l4_lpms](https://gitee.com/zhangsz0516/stm32l4_lpms)