电源管理

XWOS的电源管理
Categories:

  2 分钟阅读  

概述

XWOS有两套电源管理框架，分别用于MP系统和UP系统。

XWOS的电源管理框架只提供了基本流程，最终SOC如何休眠由BSP中的回调函数实现： 用户可以自行决定是否保持SDRAM的刷新、是否保持某些GPIO的输出、或则是否进入最低功耗的待机等等。

MP系统的电源管理

电源管理领域

MP系统中，CPU不唯一，XWOS中使用 电源管理领域(PMDM) 来统一管理所有CPU的休眠与唤醒。

流程

MP系统电源管理流程
Photo: xwos.tech / CC-BY-SA-4.0

图中，左列为休眠流程，右列为唤醒流程，箭头代表了可以进行 电源管理阶段 转换的方向。 电源管理领域 将电源管理分为四个阶段（图中绿色的框）：

正在运行 ( XWMP_PMDM_STAGE_RUNNING )

所有CPU正常运行，可以使用下面CAPI进入休眠的流程：

xwer_t xwos_pm_suspend(void);

此CAPI是操作系统抽象层 OSAL 中的CAPI，实际调用的是：

xwer_t xwmp_pmdm_suspend(void);
冻结调度器 —— 解冻调度器 ( XWMP_PMDM_STAGE_FREEZING - XWMP_PMDM_STAGE_THAWING )

一旦开始休眠流程，PMDM会通知所有CPU冻结线程。当调度器中线程全部冻结后，调度器会向PMDM报告 已经暂停 的状态。 调度器冻结线程的过程是一个比较复杂的过程，这个阶段又分为几个子阶段（图中蓝色的框）：

冻结线程 —— 解冻线程 ( XWMP_SKD_WKLKCNT_FREEZING - XWMP_SKD_WKLKCNT_THAWING )

调度器会中断所有线程的 等待 和 睡眠 态，并为所有线程设置 可冻结 标志， 然后依次调度每个线程，直到它们运行到 冻结点 进行冻结，这个过程耗时比较长， 在执行过程中如果遇到唤醒事件，调度器会在唤醒事件中断中切换为解冻流程： 解冻已经冻结的线程，并取消未冻结的线程的 可冻结 标志。

全部线程已经冻结 ( XWMP_SKD_WKLKCNT_ALLFRZ )

最后一个线程完成冻结时，CPU处于调度器服务中断中，调度器会将滴答定时器关闭。 如果此刻出现唤醒事件，待CPU从调度器服务中断中退出后，会立即进入唤醒事件中断。 休眠流程切换为唤醒流程，并重新打开滴答定时器。 按照 调度器的中断 中的约束，唤醒事件中断的优先级低于调度器服务中断， 因此唤醒事件中断一定会在调度器服务中断退出后才开始执行， 滴答定时器一定会先关闭，然后再打开，顺序不会错乱。

调度器已经暂停 ( XWMP_SKD_WKLKCNT_SUSPENDED )

CPU从上一步骤的调度器服务中断中退出后，会切换回线程上下文，此时因所有线程已经冻结， CPU只可能运行在 空闲任务 中。 CPU会在空闲任务中向PMDM报告调度器 已经暂停 的状态。此过程不能在调度器服务中断中进行， 因为调度器服务中断是最高优先级中断，不能被唤醒事件中断打断，有可能会导致无法唤醒的问题。

正在暂停 —— 正在恢复 ( XWMP_PMDM_STAGE_SUSPENDING - XWMP_PMDM_STAGE_RESUMING )

当最后一个CPU报告了 已经暂停 的状态后，会在最后一个CPU的 空闲任务 中执行用户的 suspend() 回调函数。 此时，如果出现唤醒事件，电源管理的阶段会从 正在暂停 切换为 正在恢复 ，并执行用户的 resume() 回调函数。

  • suspend() 回调函数用于在休眠之前让用户关闭设备、配置SDRAM刷新模式、配置GPIO等；
  • resume() 回调函数用于在唤醒之前执行与 suspend() 回调函数相反的操作；
  • 执行这两个函数时，PMDM会自动锁定 resume-suspend锁 ，并关闭当前CPU的总中断开关。 resume-suspend锁 是自旋锁，如果CPU-1正在执行 suspend() 回调函数，此时出现了唤醒事件，会分下面两种情况进行处理：
    • 唤醒事件中断也绑定在CPU-1上，唤醒事件中断会挂起，直到 suspend() 回调函数返回， PMDM解锁 resume-suspend锁 并打开CPU总中断开关，才被处理，然后执行 resume() 回调函数；
    • 唤醒事件中断绑定在CPU-2上，CPU-2会立即进入唤醒事件中断，但一直会 自旋 等待CPU-1释放 resume-suspend锁 ， 直到获得 resume-suspend锁 后，才会执行 resume() 回调函数；
  • 示例WeActMiniStm32H750的 resume() 与 suspend() 回调函数：
/* XWOS/xwbd/WeActMiniStm32H750/bm/xwac/xwds/pm.c */
void stm32cube_pm_resume(void)
{
        ...
        /* 恢复stm32cube中的所有设备 */
        xwds_pm_resume(&stm32cube_ds);
}

void stm32cube_pm_suspend(void)
{
        ...
        /* 暂停stm32cube：
           + 暂停所有设备
           + 配置GPIO */
        xwds_pm_suspend(&stm32cube_ds);

        /* 设置休眠方式为STOP模式：
           STOP模式下寄存器与内部RAM数据不丢失，
           因此休眠方式为SuspendToRAM，唤醒后运行状态可恢复。*/
        LL_PWR_SetRegulModeDS(LL_PWR_REGU_DSMODE_LOW_POWER);
        LL_PWR_EnableFlashPowerDown();
        LL_PWR_CPU_SetD1PowerMode(LL_PWR_CPU_MODE_D1STOP);
        LL_PWR_CPU_SetD2PowerMode(LL_PWR_CPU_MODE_D2STOP);
        LL_PWR_CPU_SetD3PowerMode(LL_PWR_CPU_MODE_D3STOP);
        LL_LPM_EnableDeepSleep();

        /* 设置ARMv7-m的DEEPSLEEP位 */
        LL_LPM_EnableDeepSleep();
}
已经暂停 ( XWMP_PMDM_STAGE_SUSPENDED )

此阶段为休眠流程的最后一个阶段，也是唤醒流程的第一个阶段。此阶段提供给用户的回调函数：

  • sleep() ：休眠SOC
  • wakeup() ：唤醒SOC

当最后一个CPU的 空闲任务 执行完上一阶段的 suspend() 回调函数后， PMDM将电源管理步骤切换到此阶段，并执行 sleep() 回调函数。 SOC系统在 sleep() 回调函数内部进入低功耗状态， 此时时钟停止，代码停止运行， sleep() 回调函数不会返回。

XWOS将 sleep() 回调函数设计在空闲任务中执行，是因为中断优先级的问题有可能导致系统无法唤醒。 例如基于ARM-m的单片机，如果在一个高优先级的中断中执行了休眠指令（ WFI ），低优先级的唤醒中断无法把系统唤醒。

当唤醒事件出现， wakeup() 回调函数在唤醒事件中断中执行。

回调函数 sleep() 与 wakeup() 之间没有锁的保护， 因此 sleep() 回调函数需要设计成能被 wakeup() 回调函数打断。

示例，WeActMiniStm32H750的 wakeup() 与 sleep() 回调函数：

/* XWOS/xwbd/WeActMiniStm32H750/bm/xwac/xwds/pm.c */
void stm32cube_pm_wakeup(void)
{
        LL_LPM_EnableSleep(); /* 清除DEEPSLEEP位 */
        SystemClock_Config(); /* 从STOP模式恢复后，需要重新配置时钟 */
}

void stm32cube_pm_sleep(void)
{
        /* 位置1 */
        cm_wfi();
        /* 位置2 */
}

分为两种情况讨论：

  • stm32cube_pm_sleep() 中的 WFI 指令执行后出现唤醒事件： 唤醒流程执行完毕后，代码会回到 stm32cube_pm_sleep() 中 位置2 ；
  • stm32cube_pm_sleep() 中的 WFI 指令执行之前出现唤醒事件： 唤醒事件中断会打断 stm32cube_pm_sleep() 函数， 然后执行 stm32cube_pm_wakeup() 函数， 函数 LL_LPM_EnableSleep() 会清除ARMv7-m的DEEPSLEEP位，接下来的唤醒流程也会将滴答定时器重新打开， 当再次回到 stm32cube_pm_sleep() 的 位置1 时， WFI 指令只会使CPU进入ARMv7-m的SLEEP模式， 只是短暂地暂停了一下CPU时钟，即将到来的滴答定时器中断可使系统恢复正常。

UP内核的电源管理

流程

UP系统电源管理流程
Photo: xwos.tech / CC-BY-SA-4.0

图中，左列为休眠流程，右列为唤醒流程，箭头代表了 电源管理阶段 切换的方向。 UP系统电源管理分为五个阶段：

正在运行 ( XWUP_PM_STAGE_RUNNING )

调度器正常运行，可以使用下面CAPI进入休眠的流程：

xwer_t xwup_skd_suspend(void);
正在冻结线程 —— 正在解冻线程 ( XWUP_PM_STAGE_FREEZING - XWUP_PM_STAGE_THAWING )

一旦开始休眠流程，调度器会中断所有线程的 等待 和 睡眠 态，并通知所有线程冻结。这个过程耗时比较长， 在执行过程中如果遇到唤醒事件，调度器可在唤醒事件中断中切换为解冻流程：解冻已冻结的线程，并将调度器状态逐步恢复至 正在运行 。

调度器中全部线程已经冻结 ( XWUP_PM_STAGE_ALLFRZ )

最后一个线程完成冻结时，CPU处于调度器服务中断中，调度器会将滴答定时器关闭。 如果此刻出现唤醒事件，待CPU从调度器服务中断中退出后，会立即进入唤醒事件中断， 休眠流程切换为唤醒流程，并重新打开滴答定时器。 按照 调度器的中断 中的约束，唤醒事件中断的优先级低于调度器服务中断， 因此唤醒事件中断一定会在调度器服务中断退出后才开始执行，滴答定时器一定会先关闭，然后再打开，顺序不会错乱。

正在暂停 —— 正在恢复 ( XWUP_PM_STAGE_SUSPENDING - XWUP_PM_STAGE_RESUMING )

当全部线程冻结后，调度器只能调度 空闲任务 ，调度器会在 空闲任务 中执行用户的 suspend() 回调函数。 此时，如果出现唤醒事件，系统会在唤醒事件中断中将状态从 正在暂停 切换为 正在恢复 ，并执行用户的 resume() 回调函数。

  • suspend() 回调函数用于在休眠之前让用户关闭设备、配置SDRAM刷新模式、配置GPIO等；
  • resume() 回调函数用于在唤醒之前执行与 suspend() 回调函数相反的操作；
  • 执行这两个函数时系统会关闭CPU总中断开关。如果正在执行 suspend() 回调函数时出现了唤醒事件， 唤醒事件中断会挂起，直到 suspend() 回调函数，系统打开CPU总中断开关时才被处理，然后执行 resume() 回调函数；
已经暂停 ( XWUP_PM_STAGE_SUSPENDED )

此阶段为休眠流程的最后一个阶段，也是唤醒流程的第一个阶段。此阶段提供给用户的回调函数：

  • sleep() ：休眠SOC
  • wakeup() ：唤醒SOC

当 空闲任务 执行完上一阶段的 suspend() 回调函数后，电源管理步骤切换到此阶段，并执行 sleep() 回调函数。 SOC系统在 sleep() 回调函数内部进入休眠状态，此时时钟停止，代码停止运行， sleep() 回调函数不会返回。

XWOS将 sleep() 回调函数设计在空闲任务中执行，是因为中断优先级的问题有可能导致系统无法唤醒。 例如基于ARM-m的单片机，如果在一个高优先级的中断中执行了休眠指令（ WFI ），低优先级的唤醒中断无法把系统唤醒。

当唤醒事件出现， wakeup() 回调函数在唤醒事件中断中执行。

回调函数 sleep() 与 wakeup() 之间没有锁的保护， 因此 sleep() 回调函数需要设计成能被 wakeup() 回调函数打断。

CAPI参考

最后修改 September 22, 2021: chore: :tada: 创建工程 —— 玄武操作系统网站 (8c48765)