Linux电源管理(5)_Hibernate和Sleep功能介绍

http://www.wowotech.net/pm_subsystem/std_str_func.html1. 前言Hibernate和Sleep两个功能是Linux Generic PM的核心功能,它们的目的是类似的:暂停使用——>保存上下文——>关闭系统以节电········>恢复系统——>恢复上下文——>继续使用。顺便感概一下,虽然这些机制在Linux系统中存在很久了(类似的概念也存在于Windows系统中),但以蜗蜗的观察,它们被使用的频率并不是很高,特别是在PC上,大多数人在大多数时候选择直接关闭系统。阴错阳差的是,在很多嵌入式设备中,设计者会利用Sleep机制实现热关机功能,以此减少开机的时间。2. Hibernate和Sleep相关的术语梳理蜗蜗在“Generic PM之基本概念和软件架构”中提到了Linux Generic PM有关的多个词汇,如Hibernate、Sleep、Suspend、Standby等等,听起来有些乱,因此在介绍Hibernate和Sleep之前,先来理一下这些词汇的关系。
▆ Hibernate(冬眠)和Sleep(睡眠)
是Linux电源管理在用户角度的抽象,是用户可以看到的实实在在的东西。它们的共同点,是保存系统运行的上下文后挂起(suspend)系统,并在系统恢复后接着运行,就像什么事情都没有发生一样。它们的不同点,是上下文保存的位置、系统恢复的触发方式以及具体的实现机制。
▆ Suspend
有两个层次的含义。
一是Hibernate和Sleep功能在底层实现上的统称,都是指挂起(Suspend)系统,根据上下文的保存位置,可以分为Suspend to Disk(STD,即Hibernate,上下文保存在硬盘
/磁盘中)和Suspend to RAM(STR,为Sleep的一种,上下文保存在RAM中);
二是Sleep功能在代码级的实现,表现为“kernel/power/suspend.c”文件。 ▆ Standby,是Sleep功能的一个特例,可以翻译为“打盹”。 正常的Sleep(STR),会在处理完上下文后,由arch-dependent代码将CPU置为低功耗状态(通常为Sleep)。而现实中,根据对功耗和睡眠唤醒时间的不同需求,CPU可能会提供多种低功耗状态,如除Sleep之外,会提供Standby状态,该状态下,CPU处于浅睡眠模式,有任何的风吹草动,
就会立即醒来。 ▆ Wakeup 这是我们第一次正式的提出Wakeup的概念。我们多次提到恢复系统,其实在内核中称为Wakeup。表面上,wakeup很简单,无论是冬眠、睡眠还是打盹,总得有一个刺激让我们回到正常状态。但复杂的就是,什么样的刺激才能让我们醒来? 动物界,温度回升可能是唯一可以让动物从冬眠状态醒来的刺激。而踢一脚、闹钟响等刺激,则可以让我们从睡眠状态唤醒。对于打盹来说,则任何的风吹草动,都可以唤醒。 而在计算机界,冬眠(Hibernate)时,会关闭整个系统的供电,因此想醒来,唯有Power按钮可用。而睡眠时,为了缩短Wakeup时间,并不会关闭所有的供电,另外,为了较好的用户体验,通常会保留某些重要设备的供电(如键盘),那样这些设备就可以唤醒系统。 这些刻意保留下来的、可以唤醒系统的设备,统称为唤醒源(Wakeup source)。而Wakeup source的选择,则是PM设计工作(特别是Sleep、Standby等功能)的重点。
经过上面的解释后,为了统一,蜗蜗会把表述从用户角度(Hibernate和Sleep)切换为底层实现上(STD、STR和Standby)。3. 软件架构及模块汇整3.1 软件架构内核中该部分的软件架构大概可以分为三个层次,如下图:
Hibernate & Sleep Architecture1)API Layer,描述用户空间API的一个抽象层。这里的API有两类,一类涉及Hibernate和Sleep两个功能(global APIs),包括实际功能、测试用功能、Debug用功能等,通过sysfs和debugfs两种形式提供;另一类是Hibernate特有的(STD APIs),通过sysfs和字符设备两种形式提供。2)PM Core,电源管理的核心逻辑层,位于kernel/power/目录下,包括主功能(main)、STD、STR&Standby以及辅助功能(assistant)等多个子模块。主功能,主要负责实现global APIs相关的逻辑,为用户空间提供相应的API;STD,包括hibernate、snapshot、swap、block_io等子模块,负责实现STD功能和硬件无关的逻辑;STR&Stanby,包括suspend和suspend_test两个子模块,负责实现STR、Standby等功能和硬件无关的逻辑。3)PM Driver,电源管理驱动层,涉及体系结构无关驱动、体系结构有关驱动、设备模型以及各个设备驱动等多个软件模块。3.2 用户空间接口3.2.1 /sys/power/statestate是sysfs中一个文件,为Generic PM的核心接口,在“kernel/power/main.c”中实现,用于将系统置于指定的Power State(供电模式,如Hibernate、Sleep、Standby等)。不同的电源管理功能,在底层的实现,就是在不同Power State之间切换。读取该文件,返回当前系统支持的Power State,形式为字符串。在内核中,有两种类型的Power State,一种是Hibernate相关的,名称为“disk”,除“disk”之外,内核在"kernel/power/suspend.c"中通过数组的形式定义了另外3个state,如下:
   1: const char *const pm_states[PM_SUSPEND_MAX] = {
   2:         [PM_SUSPEND_FREEZE]     = "freeze",
   3:         [PM_SUSPEND_STANDBY]    = "standby",
   4:         [PM_SUSPEND_MEM]        = "mem",
   5: };

这些Power State的解释如下:

▆ freeze

这种Power State,并不涉及具体的Hardware或Driver,只是冻结所有的进程,包括用户空间进程及内核线程。和我们熟知的“冬眠”和“睡眠”相比,就称为“闭目养神”吧(可想而知,能节省的能量是有限的)。

【注:我们在之前的描述中,并没有特别描述该State,因为它在较早的内核中,只是Sleep、Hibernate等功能的一部分,只是在近期才独立出来。另外一个原因是,该state的省电效果不是很理想,所以其引用场景也是有限的。】

▆ standby,即第2章所描述的Standby状态。

▆ mem,即通常所讲的Sleep功能,也是第2章所描述的STR,Suspend to RAM。

▆ disk,即Hibernate功能,也是第2章所描述的STD,Suspend to Disk。

写入特定的Power State字符串,将会把系统置为该模式。3.2.2 /sys/power/pm_tracePM Trace用于提供电源管理过程中的Trace记录,由“CONFIG_PM_TRACE”宏定义(kernel/power/Kconfig)控制是否编译进内核,并由“/sys/power/pm_trace”文件在运行时控制是否使能该功能。该功能的具体实现是“平台相关”的,我们这里暂不描述。3.2.3 /sys/power/pm_testPM test用于对电源管理功能的测试,由“CONFIG_PM_DEBUG”宏定义(kernel/power/Kconfig)控制是否编译进内核。其核心思想是:
▆ 将电源管理过程按照先后顺序,划分为多个步骤,如core、platform、devices等。这些步骤称作PM Test Level。
▆ 系统通过一个全局变量(pm_test_level),保存系统当前的PM Test Level。该变量的值可以通过”/sys/power/pm_test“文件获取及修改。
▆ 在每一个电源管理步骤结束后,插入PM test代码,该代码以当前执行步骤为参数,会判断当前的PM Test Level和执行步骤是否一致,如果一致,则说明该步骤执行成功。出于Test考量,执行成功后,系统会打印Test信息,并在等待一段时间后,退出PM过程。
▆ 开发人员可以通过修改全局的Test Level,有目的测试所关心的步骤是否执行成功。
上面已经讲了,该文件用于获取及修改PM Test Level,具体的Level信息在“kernel/power/main.c”中定义,格式如下(具体的意义,比较简单,对着相关的代码看,非常清晰,这里就不啰嗦了):
 1: static const char * const pm_tests[__TEST_AFTER_LAST] = {
   2:         [TEST_NONE] = "none",
   3:         [TEST_CORE] = "core",
   4:         [TEST_CPUS] = "processors",
   5:         [TEST_PLATFORM] = "platform",
   6:         [TEST_DEVICES] = "devices",
   7:         [TEST_FREEZER] = "freezer",
   8: };
3.2.4 /sys/power/wakeup_count该接口只和Sleep功能有关,因此由“CONFIG_PM_SLEEP”宏定义(kernel/power/Kconfig)控制。它的存在,是为了解决Sleep和Wakeup之间的同步问题。我们知道,系统睡眠后,可以通过保留的Wakeup source唤醒系统。而在当今的CPU体系中,唤醒系统就是唤醒CPU,而唤醒CPU的唯一途径,就是Wakeup source产生中断(内核称作Wakeup event)。而内核要保证在多种状态下,Sleep/Wakeup的行为都能正常,如下:
▆ 系统处于sleep状态时,产生了Wakeup event。此时应该直接唤醒系统。这一点没有问题。
▆ 系统在进入sleep的过程中,产生了Wakeup event。此时应该放弃进入sleep。
这一点就不那么容易做到了。例如,当Wakeup event发生在“/sys/power/state”被写之后、内核执行freeze操作之前。此时用户空间程序依旧可以处理Wakeup event,或者只是部分处理。而内核却以为该Event已经被处理,因此并不会放弃此次sleep动作。
这就会造成,Wakeup event发生后,用户空间程序已经后悔了,不想睡了,但最终还是睡下去了。直到下一个Wakeup event到来。
为了解决上面的问题,内核提供wkaeup_count机制,配合“/sys/power/state”,以实现Sleep过程中的同步。该机制的操作行为如下:
▆ wakeup_count是内核用来保存当前wakeup event发生的计数。
▆  用户空间程序在写入state切换状态之前,应先读取wakeup_count并把获得的count写回给wakeup_count。
▆ 内核会比对写回的count和当前的count是否一致,如果不一致,说明在读取/写回操作之间,产生了新的的wakeup event,内核就会返回错误。
▆ 用户空间程序检测到写入错误之后,不能继续后的动作,需要处理响应的event并伺机再次读取/写回wakeup_count。
▆ 如果内核比对一致,会记录write wakeup_count成功时的event快照,后面继续suspend动作时,会检查是否和快照相符,如果不符,会终止suspend。
▆ 用户空间程序检测到写入正确后,可以继续对state的写入,以便发起一次状态切换。而此时是安全的。
蜗蜗会在后续的文章中,详细描述该机制在内核中的实现逻辑,这里暂不做进一步说明。3.2.5 /sys/power/disk该接口是STD特有的。用于设置或获取STD的类型。当前内核支持的STD类型包括:
 1: static const char * const hibernation_modes[] = {
   2:         [HIBERNATION_PLATFORM]  = "platform",
   3:         [HIBERNATION_SHUTDOWN]  = "shutdown",
   4:         [HIBERNATION_REBOOT]    = "reboot",
   5: #ifdef CONFIG_SUSPEND
   6:         [HIBERNATION_SUSPEND]   = "suspend",
   7: #endif
   8: };

▆ platform,表示使用平台特有的机制,处理STD操作,如使用hibernation_ops等。

▆ shutdown,通过关闭系统实现STD,内核会调用kernel_power_off接口。

▆ reboot,通过重启系统实现STD,内核会调用kernel_restart接口。

【注:以上两个kernel_xxx接口的实现,可参考“Generic PM之Reboot过程”。】

▆ suspend,利用STR功能,实现STD。该类型下,STD和STR底层的处理逻辑类似。

3.2.6 /sys/power/image_size该接口也是STD特有的。我们知道,STD的原理是将当前的运行上下文保存在系统的disk(如NAND Flash,如硬盘),然后选择合适的方式关闭或重启系统。保存上下文是需要存储空间的,不光是disk中的存储空间,也包括位于内存的用于交换或缓冲的空间。而该接口,就是设置或者获取当前内存中需要分配多少空间,用于缓冲需要写入到disk的数据。单位为byte。3.2.6 /sys/power/reserverd_sizereserverd_size用于指示预留多少内存空间,用于在->freeze() 和 ->freeze_noirq()过程中保存设备驱动分配的空间。以免在STD的过程中丢失。3.2.7 /sys/power/resume该接口也是STD特有的。正常情况下,在重新开机后,内核会在后期的初始化过程中,读取保存在disk中的image,并恢复系统。而该接口,提供了一种在用户空间手动的读取image并恢复系统的方法。通常情况下,该操作出现在系统正常运行的过程中,需要加载并执行另外的image。3.2.8 debugfs/suspend_status该接口是以debugfs的形式,向用户空间提供suspend过程的统计信息,包括:成功的次数、失败的次数、freeze失败的次数等等。3.2.9 /dev/snapshot该接口也是STD特有的。它通过字符设备的形式,向用户空间提供software的STD操作。我们会在后续的文章中详细描述。

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