电源管理入门：驱动Runtime PM管理

Runtime PM管理也就是设备驱动里面的电源管理，即设备驱动结构体里面的struct dev_pm_ops，只控制设备自己的电源。这样可以在设备不需要工作的时候可以进入到低功耗状态，更好的管理设备自己的电源，所谓：“各扫门前雪”。

为什么需要Runtime PM？

不同于系统的电源管理，设备自己的电源管理更加的细化。这就像一个层级关系，系统整体的是一个大的电源状态管理，但是对于众多的集成外国设备也不能一刀切，就是不能要干活都干活要休息都休息，要细化管理不能懒政，就对每个设备自己也来一套电源状态管理，直接把机制从系统哪里复制过来一份一个阉割版的就够用，采用分而治之的思想，只要系统要统一指挥的时候听话就可以，其他时候可以自己决策执行就是runtime PM管理。这里的设备有可能是外设，比如sensor、lcdc等。这里的设备也有可能是SOC内部的某些IP，比如codec、dsp、usb等。

1. 框架介绍

1.1 为什么需要Runtime PM Framework?

系统基本的电源管理，例如关机休眠等，需要调用device的电源Runtime API就是ops回调函数，而且需要按一个顺序的queue去实施，而且系统跟设备状态发生冲突的时候也需要去处理，综上就需要一个Framework去统一做这些事情

设备驱动需要根据系统的一些参数来决定自己的电源状态，例如CPU是否idle等，就需要系统框架的支持

当设备处于低功耗模式时，wakeup signal常常需要platform或者bus的支持。

1.2 系统框架图

数据结构：

image.png

关机举例：

休眠举例：

2. Drivers

Device drivers（包括bus、class、power domain）实现了runtime pm相关的runtime_idle/runtime_suspend/runtime_resume三个回调：

runtime_suspend用于实现设备的低功耗操作

runtime_resume用于实现设备的低功耗恢复相关的操作

runtime_idle属于runtime_suspend的一个过渡，用于缓冲频繁的suspend与resume，它会判断设备是否具备suspend的条件，如果具备在合适的时机，就会suspend设备。

runtime_suspend与runtime_resume回调函数里会调用clock framework/reset framework/regulator framework提供的时钟开关、复位、电源开关的接口。这里以SPI驱动为例进行说明：

subsys_initcall(pl022_init);

static int __init pl022_init(void)
{
        return amba_driver_register(&pl022_driver);
}

static struct amba_driver pl022_driver = {
        .drv = {
                .name        = "ssp-pl022",
                .pm        = &pl022_dev_pm_ops,
        },
        .id_table        = pl022_ids,
        .probe                = pl022_probe,
        .remove                = pl022_remove,
};

static const struct dev_pm_ops pl022_dev_pm_ops = {
        SET_SYSTEM_SLEEP_PM_OPS(pl022_suspend, pl022_resume)
        SET_RUNTIME_PM_OPS(pl022_runtime_suspend, pl022_runtime_resume, NULL)
};
                         
#define SET_RUNTIME_PM_OPS(suspend_fn, resume_fn, idle_fn) 
        .runtime_suspend = suspend_fn, 
        .runtime_resume = resume_fn, 
        .runtime_idle = idle_fn,

pm结构体dev_pm_ops 中的有3个以runtime开头的成员函数：runtime_suspend（）、runtime_resume（）和runtime_idle（），它们辅助设备完成运行时的电源管理

struct dev_pm_ops {
    ...
    int (*runtime_suspend)(struct device *dev);
    int (*runtime_resume)(struct device *dev);
    int (*runtime_idle)(struct device *dev);
    ...
};

运行时的PM与前文描述的系统级挂起到RAM时候的PM不太一样，它是针对单个设备，指系统在非睡眠状态的情况下，某个设备在空闲时可以进入运行时挂起状态，而在不是空闲时执行运行时恢复使得设备进入正常工作状态，如此，这个设备在运行时会省电。

每个设备处理好自己的电源管理，在不需要工作时进入低功耗状态。也就是"各人自扫门前雪"。Linux提供了一系列API，以便于设备可以声明自己的运行时PM状态：

函数名字	功能
pm_runtime_suspend	引发设备的挂起，执行相关的runtime_suspend（）函数。
pm_schedule_suspend	“调度”设备的挂起，延迟delay毫秒后将挂起工作挂入pm_wq等待队列，结果等价于delay毫秒后执行相关的runtime_suspend（）函数。
pm_runtime_resume	引发设备的恢复，执行相关的runtime_resume（）函数。
pm_request_resume	发起一个设备恢复的请求，该请求也是挂入pm_wq等待队列。
pm_runtime_idle	引发设备的空闲，执行相关的runtime_idle（）函数。
pm_request_idle	发起一个设备空闲的请求，该请求也是挂入pm_wq等待队列。
pm_runtime_enable	使能设备的运行时PM支持。
pm_runtime_disable	禁止设备的运行时PM支持。
pm_runtime_getpm_runtime_get_sync	增加设备的引用计数（usage_count），这类似于clk_get（），会间接引发设备的runtime_resume（）。
pm_runtime_putpm_runtime_put_sync	减小设备的引用计数，这类似于clk_put（），会间接引发设备的runtime_idle（）。

3. Runtime PM core

Runtime pm core主要提供了三类函数接口：

提供enable/disable接口给设备驱动，用于该设备驱动决定是否打开或关闭RPM，

提供get、put类接口给设备驱动，用于决定什么时候进入或者恢复设备低功耗，

在设备驱动调用了get、put接口后RPM会调用各设备驱动实现的runtime_suspend/runtime_resume接口。

对于决定设备是否进入低功耗的get/put接口的调用时机，一般会在操作设备相关寄存器前调用get接口，在操作完相关寄存器后调用put接口。或者在设备驱动的open、release、start、stop等接口里调用，用户层的services通过ioctrl或者驱动提供的文件节点调用驱动的这些接口。

我们可以这样简单地理解Linux运行时PM的机制，每个设备（总线的控制器自身也属于一个设备）都 有引用计数usage_count和活跃子设备（Active Children，子设备的意思就是该级总线上挂的设备）计数child_count，当两个计数都为0的时候，就进入空闲状态，调用pm_request_idle（dev）。

当设备进入空闲状态，与pm_request_idle（dev）对应的PM核并不一定直接调用设备驱动的runtime_suspend（），它实际上在多数情况下是调用与该设备对应的bus_type的runtime_idle（）。

在具体的设备驱动中，一般的用法则是在设备驱动probe（）时运行pm_runtime_enable（）使能运行时PM支持，在运行过程中动态地执行“pm_runtime_get_xxx（）->做工作->pm_runtime_put_xxx（）”的序列。如代码清单19.19中的drivers/watchdog/omap_wdt.c OMAP的看门狗驱动。

在omap_wdt_start（）中启动了pm_runtime_get_sync（），

而在omap_wdt_stop（）中调用了pm_runtime_put_sync（）。

static const struct watchdog_ops omap_wdt_ops = {
        .owner                = THIS_MODULE,
        .start                = omap_wdt_start,
        .stop                = omap_wdt_stop,
        .ping                = omap_wdt_ping,
        .set_timeout        = omap_wdt_set_timeout,
        .get_timeleft        = omap_wdt_get_timeleft,
};

static int omap_wdt_start(struct watchdog_device *wdog)
{

    pm_runtime_get_sync(wdev->dev);//告诉内核要开始用看门狗这个设备了，如果看门狗设备已经进入省电模式（之前引用计数为0且执行了运行时挂起），会导致该设备的运行时恢复
    
static int omap_wdt_stop(struct watchdog_device *wdog)
{
    pm_runtime_put_sync(wdev->dev);//告诉内核不用这个设备了，如果引用计数变为0且活跃子设备为0，则导致该看门狗设备的运行时挂起。

在一些设备上不使用的时候不能立即挂起，，因为挂起状态的进入和恢复需要一些时间，如果设备不在挂起之间保留一定的时间，频繁进出挂起反而会带来新的开销。因此，我们可根据情况决定只有设备在空闲了一段时间后才进入挂起（一般来说，一个一段时间没有被使用的设备，还会有一段时间不会被使用），基于此，一些设备驱动也常常使用自动挂动模式进行编程。

在执行操作的时候声明pm_runtime_get（），操作完成后执行pm_runtime_mark_last_busy（）和pm_runtime_put_autosuspend（），一旦自动挂动的延时到期且设备的使用计数为0，则引发相关runtime_suspend（）入口函数的调用。

设备驱动PM成员的runtime_suspend（）一般完成保存上下文、切到省电模式的工作，而runtime_resume（）一般完成对硬件上电、恢复上下文的工作

4. power domain framework

一个power domain上可能包含多个IP，每个IP可能对应一个或多个设备。这些设备会在dts中描述与power domain的绑定关系。系统初始化的时候，会将这个power domain放到一个链表中，然后根据设备中dts描述的与power domain的关系，将设备挂在power domain节点下的链表中。

当某个设备驱动通过put接口调用，将usage_count从1减少到0，这时会先调用power domain注册的runtime_suspend接口，在这个接口中，会先调用该设备驱动的runtime_suspend，然后遍历该power domain下所有的设备是否都允许suspend（各设备驱动的usage_count是否为0）,若允许就会直接调用关闭power domian的接口，否则直接返回。当某个设备驱动通过get接口调用，将usage_count从0增加到1，这时会先调用power domain注册的runtime_resume接口，在这个接口中，会先将power domain上电，然后再调用设备驱动对应的runtime_resume回调函数，让设备退出低功耗。

5. runtime pm的sysfs

对于支持rpm的设备，在相应的设备节点下有多个rpm相关属性的文件节点，分别为control，runtime_susupend_time,runtime_active_time，autosuspend_delay_ms，runtime_status。接口在文件: /kernel/drivers/base/power/sysfs.c中描述。

/sys/devices/.../power/control

on - 调用pm_runtime_forbid接口，增加设备的引用计数，然后resume设备。

auto - 调用pm_runtime_allow接口，减少设备的引用计数，如果设备的引用计数为0，则idle设备。

/sys/devices/.../power/runtime_status

active - 设备的状态是正常工作状态。

suspend- 设备的状态是低功耗模式。

suspending-设备的状态正在从active->suspend转化。

resuming-设备的状态正在从suspend->active转化。

error-设备runtime出现错误，此时runtime_error的标志置位。

unsupported-设备的runtime 没有使能，此时disable_depth标志置位。

/sys/devices/.../power/runtime_suspend_time

设备在suspend状态的时间

/sys/devices/.../power/runtime_active_time

设备在active状态的时间

/sys/devices/.../power/autosuspend_delay_ms

设备在idle状态多久之后suspend，设置延迟suspend的延迟时间。

后记：

在编写驱动的时候，如果涉及电源管理的功耗需求，就需要实现struct dev_pm_ops，为驱动程序增加一个电源管理的功能，会更加的灵活，也是我们去优化系统功耗的一个重要方向。因为大多数程序估计是供应商提供的，但是我们自己的加的硬件的程序估计是我们自己去写的，并且做业务挺耗电，给自己写的驱动加个电源管理就挺好。

审核编辑：汤梓红