作業系統協作下的嵌入式設備電源管理方法及系統的製作方法
2023-04-24 16:35:56 2
專利名稱：作業系統協作下的嵌入式設備電源管理方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於計算機技術領域，涉及一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法及系統。
背景技術：
己有的嵌入式系統中的設備動態電源管理方法，是在硬體設備或設備驅動程序中實現，只關注設備被訪問的信息，根據已有一段時間內設備訪問的空閒時間的特徵，在一次訪問結束後預測下次設備的空閒時間長度，當大於某一閾值時將設備置於低功耗的狀態。已有的方法將對設備的訪問視為隨機的事件建立數學模型進行統計，忽視了應用程式作為設備訪問主動請求者的特點和作業系統對整個系統各種資源的管理控制作用，當應用程式的運行或者訪問模式發生改變時，很容易造成預測錯誤。
發明內容
本發明克服現有嵌入式系統中設備電源管理方法的不足，在作業系統協作下，涉及應用程式、任務調度和驅動程序嵌入式軟體各層次的設備電源管理方法，使得預測更加準確。
本發明的技術內容一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，包括一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，包括在系統運行時收集和監視系統及設備電源管理相關信息，包括獲取系統和任務、CPU利用率信息、任務訪問設備的信息、以及系統和設備的電源狀態信息；通過系統級與設備級電源管理模塊，根據信息收集與監視模塊中獲取的電源管理信息，響應和處理任務管理與調度事件、定時器到時事件、外設喚醒事件、電源緊急事件，按照一定規則進行決策；根據電源管理決策的結果，具體實現對系統、片內部件、外圍設備的狀態轉換，能夠屏蔽底層不同硬體的特性，並向上層提供統一的電源管理接口。
收集和監視系統及設備電源管理相關信息的具體實現步驟，包括系統初始化時，參加電源管理的設備調用註冊函數，向系統級電源管理註冊設備電源管理數據結構，並掛接各設備的控制接口；在任務管理和調度中插入監視模塊，捕獲任務的創建、撤銷、最近一段時間內的CPU利用率、CPU上運行的任務總數以及訪問該設備的優先級的信息；在設備驅動程序中，在設備訪問操作的前、後插入監視模塊，獲取每次設備訪問開始和結束時間、所訪問設備以及發出訪問請求的任務信息，作為設備訪問的歷史信息記錄。
系統級電源管理模塊進行決策的具體實施步驟，包括通過系統級電源管理模塊的CPU、SRAM控制子模塊，完成當系統空閒時間達到一定閾值，或輸入設備空閒時間達到一定閾值時，檢查設備電源管理信息表，查看是否有應用程式預留了某一設備，若沒有，調用控制模塊將系統置為低功耗狀態。
設備級電源管理模塊進行決策的具體實施步驟，包括當有任務訪問該設備時，才開啟該設備，並開始對該設備的監視和管理；當所有訪問該設備的任務結束時，關閉該設備；當任務訪問多個設備時，如訪問順序具有依賴性，根據該依賴性預測設備的未來使用情況。
在設備驅動程序中，根據設備訪問的歷史信息記錄，預測未來的設備空閒時間，如預測設備下次的空閒時間大於某一閾值時，調用控制模塊將設備關閉。
一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的系統，包括一個系統級電源管理模塊和與之相連結的若干個設備級電源管理模塊，每個電源管理模塊都包括監視子模塊、決策子模塊和控制子模塊，監視模塊，獲取系統和任務、CPU利用率信息、任務訪問設備的信息、以及系統和設備的電源狀態信息；決策模塊，根據監視模塊所獲取的信息進行決策，同時負責處理和響應任務管理和調度事件、定時事件、外部設備的喚醒事件、以及電源緊急事件；控制模塊，根據決策模塊做出的決策結果，利用驅動程序或者硬體抽象層，分別對整個系統、片內部件和外圍設備進行控制，完成狀態的轉換。
系統級電源管理模塊還進一步包括電源事件處理子模塊，當電源事件發生時，該子模塊調用相應的設備及設備級子模塊。電源管理應用接口，用於應用程式提供電源管理的約束，參與作業系統的電源管理決策，查詢系統和設備的電源狀態，為可感知電源的應用程式自適應調節自身行為提供支持。
設備級電源管理模塊中的決策子模塊還能夠將設備電源狀態的變化情況通知系統級電源管理模塊，為系統級電源管理決策提供依據。
本發明的技術效果系統中任務對設備的訪問模式是有規律的，引入對系統和任務的監視信息是的對設備訪問的預測更加準確；當設備的訪問模式發生突然改變時，真實空閒時間比重的動態調整使得預測值迅速接近真實值。在嵌入式作業系統電源管理機制的支持下，對設備電源管理的決策更準確有效。
下面結合附圖，對本發明做出詳細描述。
圖1為嵌入式作業系統電源管理基本模型示意圖圖2為系統-設備兩級電源管理模塊示意圖；圖3為各模塊間數據、控制流圖；圖4為嵌入式設備電源管理方法示意圖；圖5為添加電源管理前後，及與現有電源管理方法能耗對比圖；圖6為系統運行任務數對電源管理有效性的影響的示意圖。
具體實施例方式
參考圖1，本系統依據的嵌入式作業系統電源管理基本模型，分為監視、控制、決策三個模塊。
監視模塊，負責獲取和收集應用程式的需求、CPU利用率信息、設備訪問信息、以及設備和系統的電源狀態信息決策模塊，根據監視模塊所獲取的信息根據電源管理算法進行決策，同時負責處理和響應任務管理和調度事件、定時事件、外部設備的喚醒事件、以及電源緊急事件(電池電量低)控制模塊，根據決策模塊作出的決策結果，利用驅動程序或者硬體抽象層，分別對整個系統、片內部件和外圍設備進行控制，完成狀態的轉換。
根據上述電源管理基本模型，本發明電源管理系統在嵌入式作業系統中的結構如圖2所示，包括1、系統級電源管理，負責系統全局的能耗狀態的轉換控制，包括整個系統的電源狀態轉換、處理器電源狀態轉換、電量緊急情況下(電池電量低時)的系統狀態控制，為應用程式提供接口；2、設備級電源管理，在確定的全局電源狀態下，根據特定設備的特徵和工作負載，相對獨立地改變性能/能耗狀態，並將狀態變化通知系統級電源管理模塊；3、信息收集和監視模塊，負責收集運行時系統和任務的相關信息，包括運行的任務總數、任務狀態、CPU利用率，以及設備的相關信息；4、電源事件響應模塊，是指當收集和監視模塊監視到需要改變電源狀態的事件發生，引發相應的系統級或設備級電源管理進行決策，實施電源狀態轉換控制。
本發明嵌入式設備電源管理方法，實施具體電源管理方法如圖4所示系統初始化時，參加電源管理的設備調用註冊函數，向系統級電源管理註冊設備電源管理數據結構，並掛接各設備的控制接口；
在設備驅動程序中，在設備訪問操作的前、後插入監視函數，每次設備訪問發生前、後由設備級監視模塊記錄此時時間、所訪問設備以及發出訪問請求的任務，作為設備訪問的歷史信息記錄；系統運行時，應用程式向系統級電源管理模塊提出需求；系統運行時，系統級電源管理模塊通過作業系統進程調度模塊，獲取訪問設備任務的CPU使用率，當前CPU上運行的進程總數，進程優先級的信息，作為系統運行時電源管理相關信息記錄；設備級電源管理決策，獲取設備級監視模塊，與系統級電源管理所獲取的系統和設備兩方面的信息，在一次設備訪問操作結束後，根據事先制定的電源管理策略，決策是否將設備置於低功耗的狀態，並調用設備級控制模塊實現最後的控制；系統級電源管理負責響應和處理電源管理相關事件及中斷，當接收到電池電量低的中斷時，調用各設備掛接的控制接口，將各設備置於低功耗的狀態。
按照下面的步驟在嵌入式作業系統DeltaOS中實現本發明在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，其中DeltaOS運行在Samsung S3C44b0x嵌入式處理器上，本具體實施例針對CPU、網卡、LCD進行電源管理。
(一)收集和監視系統及設備電源管理相關信息在系統運行時獲取應用程式對設備的需求、CPU利用率信息、設備訪問信息、以及系統和各個設備的電源狀態信息。
具體實施步驟如下1、系統初始化時，接受作業系統電源管理的設備，通過系統級電源管理提供的設備管理數據結構及接口，調用註冊函數向內存中設備電源管理信息表註冊設備的初始狀態、獲取設備標識符、並掛接緊急狀態下將設備置於低功耗狀態的函數接口。
2、在作業系統進程調度模塊中，插入用戶擴展函數，監視進程的創建、運行、掛起、撤銷的時刻，在進程切換時插入對空閒進程的監視，並獲取進程在最近一段時間的CPU使用率信息、進程優先級，通過系統級電源管理提供的系統運行時信息子模塊，將有關信息填入內存中任務管理信息表。
3、在設備驅動程序中，在對設備訪問的前後插入監視函數，獲取每次對設備訪問的開始時間、結束時間、設備標識符、訪問設備的任務標識符，通過設備級電源管理模塊的監視子模塊，將上述信息填入內存中維護的設備-任務訪問信息表。當任務開始訪問設備時，才在信息表中為該任務分配空間；當右任務訪問設備時，開始對該設備的監視和管理。
4、在進程調度與鍵盤的中斷處理函數中，插入定時器，通過系統級電源管理模塊的電源事件及中斷子模塊，獲取空閒進程的連續執行時間，與鍵盤無交互的持續時間5、增加應用程式預留設備的用戶接口，當應用程式調用該接口時，通過系統級電源管理模塊的應用程式需求子模塊，修改設備電源管理信息表，標識應用程式運行時不希望關閉的設備(二)根據系統運行時信息與設備訪問歷史信息進行決策通過系統級與設備級電源管理決策模塊，根據信息收集與監視模塊中獲取的電源管理信息，響應和處理任務管理與調度事件、定時器到時事件、外設喚醒事件、電源緊急事件，並依照事先制定的電源管理策略進行決策。
具體實施步驟如下1、在作業系統的定時器模塊中，在監視系統空閒進程的定時器，與監視鍵盤空閒時間的定時器中掛接定時器到時的處理函數。通過系統級電源管理模塊的CPU、SRAM控制子模塊，完成當系統空閒時間達到一定閾值，或鍵盤空閒時間達到一定閾值時，將系統置為低功耗狀態，並檢查設備電源管理信息表，查看是否有應用程式預留了某一設備，若沒有，再調用控制模塊實現狀態轉換。
2、建立設備電源管理決策機制，具體包括(1)當有任務訪問該設備時，才開啟該設備，並開始對該設備的監視和管理；當所有訪問該設備的任務結束時，關閉該設備；(2)當任務訪問多個設備(例如交互式輸入設備A和網絡設備B)，並且訪問順序具有依賴性(先A後B)時，根據該依賴性預測設備的未來使用情況；a)當任務長時間阻塞在設備A訪問過程時，可以為關閉設備B提供依據b)當任務從設備A恢復時，可以作為喚醒設備B的依據(3)在上述條件的基礎上，根據已有若干次的設備空閒時間，預測未來的設備空閒時間，當預測設備下次的空閒時間大於某一閾值時，即設備處於低功耗狀態所節省的電能大於設備狀態轉換的能耗開銷時，調用控制模塊將設備關閉。預測原則如下a)越近的設備空閒時間佔的比重越大b)當預測的設備空閒時間與實際空閒值相差很大時，說明設備的訪問模式發生改變，動態調整增大實際空閒值的權重c)活動狀態的任務數目越少，訪問設備的任務執行機會越多，設備空閒時間越短任務優先級越高，執行機會越多，任務訪問的設備空閒時間越短(三)實現電源管理狀態轉換控制根據電源管理決策的結果，具體實現對系統、片內部件、外圍設備的狀態轉換，負責屏蔽底層不同硬體的特性，並向上層提供統一的電源管理接口。
具體實施步驟包括1、實現CPU從正常運行狀態到空閒狀態的狀態轉換函數；2、實現CPU從正常運行狀態到關閉狀態的狀態轉換函數，包括設置哪些中斷可以喚醒CPU；2、實現LCD的打開、關閉函數；3、實現網卡的打開、關閉函數。
圖5中，左1為添加電源管理前網卡應用程式總能耗，左2為本電源管理方法實施後應用程式的能耗，右1與右2為現有兩種經典電源管理方法的電能消耗，本電源管理方法的節能效果越顯著。
圖6中，左1組的兩個點顯示系統上只運行一個網卡應用程式時的能耗，左1下的點位添加電源管理後系統能耗，左1上為添加電源管理前系統能耗。左2組點為同時運行兩個應用程式，左3組點為同時運行三個應用程式的能耗對比情況。應用程式數目越多，訪問設備的應用程式獲得CPU的機會越少，設備空閒時間越多，本電源管理方法的節能效果越顯著。
權利要求
1.一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，包括在系統運行時收集和監視系統及設備電源管理相關信息，包括獲取系統和任務、CPU利用率信息、任務訪問設備的信息、以及系統和設備的電源狀態信息；通過系統級與設備級電源管理模塊，根據信息收集與監視模塊中獲取的電源管理信息，響應和處理任務管理與調度事件、定時器到時事件、外設喚醒事件、電源緊急事件，按照一定規則進行決策；根據電源管理決策的結果，具體實現對系統、片內部件、外圍設備的狀態轉換，能夠屏蔽底層不同硬體的特性，並向上層提供統一的電源管理接口。
2.如權利要求1所述的在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，其特徵在於收集和監視系統及設備電源管理相關信息的實現步驟，包括系統初始化時，參加電源管理的設備調用註冊函數，向系統級電源管理註冊設備電源管理數據結構，並掛接各設備的控制接口；在任務管理和調度中插入監視模塊，捕獲任務的創建、撤銷、最近一段時間內的CPU利用率、CPU上運行的任務總數以及訪問該設備的優先級的信息；在設備驅動程序中，在設備訪問操作的前、後插入監視模塊，獲取每次設備訪問開始和結束時間、所訪問設備以及發出訪問請求的任務信息，作為設備訪問的歷史信息記錄。
3.如權利要求1所述的在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，其特徵在於系統級電源管理模塊進行決策的實施步驟，包括通過系統級電源管理模塊的CPU、SRAM控制子模塊，當系統空閒時間達到一定閾值，或輸入設備空閒時間達到一定閾值時，檢查設備電源管理信息表，查看是否有應用程式預留了某一設備，若沒有，調用控制模塊將系統置為低功率狀態。
4.如權利要求1或3所述的在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，其特徵在於設備級電源管理模塊進行決策的實施步驟，包括當有任務訪問該設備時，才開啟該設備，並開始對該設備的監視和管理；當所有訪問該設備的任務結束時，關閉該設備；當任務訪問多個設備時，如訪問順序具有依賴性，根據該依賴性預測設備的未來使用情況。
5.如權利要求4所述的在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，其特徵在於設備級電源管理模塊進行決策的實施步驟，還包括在設備驅動程序中，根據設備訪問的歷史信息記錄，預測未來的設備空閒時間，如預測設備下次的空閒時間大於某一閾值時，調用控制模塊將設備置於低功率狀態。
6.一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的系統，包括一個系統級電源管理模塊和與之相連結的若干個設備級電源管理模塊，每個電源管理模塊都包括監視子模塊、決策子模塊和控制子模塊，監視模塊，獲取系統和任務、CPU利用率信息、任務訪問設備的信息、以及系統和設備的電源狀態信息；決策模塊，根據監視模塊所獲取的信息進行決策，同時負責處理和響應任務管理和調度事件、定時事件、外部設備的喚醒事件、以及電源緊急事件；控制模塊，根據決策模塊做出的決策結果，利用驅動程序或者硬體抽象層，分別對整個系統、片內部件和外圍設備進行控制，完成狀態的轉換。
7.如權利要求6所述的在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的系統，其特徵在於系統級電源管理模塊還包括電源事件處理子模塊和電源管理應用接口，電源事件處理子模塊，用於當電源事件發生時，該子模塊調用相應的設備及設備級子模塊；電源管理應用接口，用於應用程式提供電源管理的約束，查詢系統和設備的電源狀態，為可感知電源的應用程式自適應調節自身行為提供支持。
8.如權利要求6或7所述的在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的系統，其特徵在於設備級電源管理模塊中的決策子模塊將設備電源狀態的變化情況通知系統級電源管理模塊，為系統級電源管理決策提供依據。
全文摘要
本發明提供一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的方法，該方法結合系統和任務的運行狀態，以及設備的歷史訪問信息，在作業系統協作下，採用系統級和設備級兩級決策，對整個系統及設備的電源進行管理。本發明還提出一種在嵌入式作業系統中對設備進行動態電源管理的系統，包括一個系統級電源管理模塊和與之相連結的若干個設備級電源管理模塊，每個電源管理模塊都包括監視子模塊、決策子模塊和控制子模塊。在該系統的支持下實現嵌入式作業系統的設備電源管理，可以節省設備和整個系統的能耗。
文檔編號G06F1/32GK1752896SQ200510086809
公開日2006年3月29日 申請日期2005年11月8日 優先權日2005年11月8日
發明者陳向群, 趙霞, 王悅 申請人:北京大學