linux 电源管理

1.概述

虽然 linux 可以在任何一台 386 以上的 PC 上运行，目前大多数人使用的都是新型的，带有各种外设的桌面PC或者笔记本电脑，这样，电源管理功能(PM)就逐渐变得越来越重要。在笔记本电脑上电源管理可以节能，延长电池寿命，而在桌面PC上它可以降低幅射，降温，延长外设使用寿命。现在的操作系统大都内置了电源管理支持，例如 Windows 和 Linux。  

2.PC机实现电源管理的方法

要实现电源管理，最重要的有两点：第一是需要设备本身支持节电功能，比如硬盘，可以通过指令暂时关闭；第二是需要操作系统支持电源管理，这样就可以在空闲一段时间之后调用驱动的电源管理功能关闭设备。 

两种电源管理标准：APM和ACPI

传统的APM(Advanced Power Management)是一种基于bios的电源管理标准，目前的最新版本是1.2，它提供了CPU和设备电源管理的功能，但是由于这种电源管理方式主要是由bios实现，所以有些缺陷，比如对bios的过度依赖，新老bios之间的不兼容性，以及无法判断电源管理命令是由用户发起的还是由bios发起的，对某些新硬件如USB和1394的不支持性。 

为了弥补APM的缺陷，新的电源管理ACPI应运而生，这就是ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)，它主要是将电源管理的主要执行者由bios转换成为操作系统，这样可以提供更大的灵活性以及可扩展性。 

目前的PC机主板一般同时支持APM和ACPI两种标准。  

3.linux对电源管理的支持

内核模块

针对APM和ACPI两种不同的标准，linux内核提供了两个不同的模块来实现电源管理功能，这就是apm和acpi。需要注意，apm和acpi是互相冲突的两个模块，用户在同一时间内只能加载其中之一，如果当他们在加载的时候发现二者之一已经加载，就会自动退出。 

在官方发布的内核中APM是较为成熟的电源管理方式，可以完成在Windows下ACPI所能完成的大部分功能。由于官方内核中ACPI的功能比较有限，目前还处于开发版状态。所以当前的大多数distribution，如红帽子默认就使用了apm作为电源管理方式。但是值得注意的是linux中的ACPI实际上是由一个单独的项目小组模块进行维护的，当前内核ACPI的版本实际上已经远远落后于最新的版本。由于linux稳定版中对任何新特性的加入都非常谨慎小心，所以我们也许只能等到2.6.x版本的linux诞生后才能看到ACPI的稳定全功能版了。不过我们也可以自己对内核打最新的ACPI补丁来获得这些功能。 

下面对电源管理的介绍以APM为主。 

用户态Daemon

为了让linux内核中的电源管理功能够更好的被利用，我们还需要用户态daemon程序的配合。针对APM和ACPI，分别有apmd和acpid两个不同软件。他们实现的功能比较类似，都是允许用户预先定义某些策略，然后跟踪电源状态，执行特定的操作。在apmd软件包中还有一个工具apm，用户可以用它使机器主动进入standby和suspend状态，还可以查询bios的apm版本号。在使用acpi时直接对proc文件系统进行操作即可完成同样的功能。  

4.linux下驱动的电源管理机制

在linux下不必为驱动分别编写与APM和ACPI相对应的代码，linux与Windows类似，为驱动提供了统一的电源管理接口。驱动只要实现了这些接口，就可以实现电源管理的功能。操作系统在它认为合适的时候就会通知驱动完成这些操作。 

实现设备电源管理接口主要需要实现以下5点： 


1)使用pm_register对设备的每个实例(instance)进行注册； 
2)在对硬件进行操作之前调用pm_access(这样会保证设备已被唤醒并且处于ready状态)； 
3)用户自己的pm_callback函数在系统进入suspend状态(ACPI D1-D3)，或者从suspend状态恢复(ACPI D0)的时候会被调用； 
4)当设备不在被使用的时候调用pm_dev_idle函数，这个操作是可选的，可以增强设备idle状态的监测能力； 
5)当被unload的时候，使用pm_unregister来取消设备的注册。  

5.对APM进行编程

下面介绍在实模式中和在linux下使用APM功能的编程方法： 

由于APM是由bios提供的，我们可以直接在实模式(如DOS下)调用int 15软中断来进行电源管理操作。 

在实模式下APM的standby、suspend和poweroff功能分别可以通过下面的汇编语言实现： 
standby：
mov ax, 5307H
mov bx, 1
mov cx, 1
int 15H
suspend:
改成 mov cx,2
poweroff:
改成 mov cx,3

需要注意的一件事是在linux内核中没有使用和实模式的一样的方法来调用int 15H中断，而是直接调用了bios的保护模式接口。所以我们如果修改了bios中的apm相关代码并且没有处理好保护模式接口的问题，可以出现这样的情况：在实模式DOS下使用apm功能一切正常，但是在linux下调用apm功能发生内核一般保护性错误。

在linux下我们可以通过对apm_bios设备的操作来完成同样的功能。

下面的代码可以实现APM的suspend功能，等价于apm -s

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <asm/fcntl.h>
#include <linux/types.h>
#include <sys/types.h>
#include "apm.h"
int main()
{
        int fd, res;
        fd = open("/dev/apm_bios", O_RDWR);
        if (fd < 0) {
                printf("open /dev/apm_bios error!
");
                exit(-1);
        }
        sync();
        res = ioctl(fd, APM_IOC_SUSPEND, NULL);
        if (res != 0) {
                printf("ioctl error!
");
                close(fd);
                exit(-1);
        }
        close(fd);
        return 0;
}

如果我们把上面程序中的SUSPEND改成STANDBY，我们就同样实现了apm -S的功能。

在linux下POWEROFF操作有其独特的流程，最后根据内核中apm或者acpi的存在情况来执行相应不同的流程来关闭电源。请参见linux内核源码，我写的《linux关机重启流程分析》中也有一定的介绍。

6.常见问题(FAQ)

1)我的系统不能被suspend，这是怎么回事呢？

系统在suspend之前会向所有的驱动发消息，如果这个时候某个傲慢的驱动返回了一个-EBUSY，那么这次suspend的企图就被这个驱动否决了，你只有过一会再试，如果这个驱动总是否决(真是蛮横，不过它也许有自己的苦衷也说不定)，你就永远都无法suspend了。

2)我按下系统的POWEROFF开关，在ATX的主板上，系统就会自动关机了，这个处理流程是什么样子的呢？

在内核APM模块中建立了一个核心态线程不停的监测系统状态，用户的关机动作在这里被截获后处理。详细的流程可以参见本人的《linux关机重启流程分析》。

3)linux中电源管理的文档在哪里？

在linux/Documentation目录下的pm.txt中详细定义了linux驱动电源管理接口实现方式，并且有详细的例子，apm和acpi的实现流程需要参见linux源码的实现。

7.总结

linux中的电源管理是发展中的代码。从目前的趋势来看ACPI终将取代APM。现在使用APM则是较为成熟和稳妥的方案。我们如果现在编写驱动应该严格遵守文档中的pm.txt所规定的接口，这样可以使我们的驱动有较强电源管理的适应性和稳定性。