Android的电源管理

Android 的电源管理也是很重要的一部分。比如在待机的时候关掉不用的设备，timeout之后的屏幕和键盘背光的关闭，用户操作的时候该打开多少设备等等，这些都直接关系到产品的待机时间，以及用户体验。

framework层主要有这两个文件：     

        frameworks\base\core\java\android\os\PowerManager.java

        frameworks\base\services\java\com\android\server\PowerManagerService.java

        其中PowerManager.java是提供给应用层调用的，最终的核心还是在PowerManagerService.java。这个类的作用就是提供PowerManager的功能，以及整个电源管理状态机的运行。里面函数和类比较多，就从对外和对内分两块来说。

        先说对外，PowerManagerService如何来进行电源管理，那就要有外部事件的时候去通知它，这个主要是在frameworks\base\services\java\com\android\server\WindowManagerService.java里面。WindowManagerService会把用户的点击屏幕，按键等作为user activity事件来调用userActivity函数，PowerManagerService就会在userActivity里面判断事件类型作出反映，是点亮屏幕提供操作，还是完全不理会，或者只亮一下就关掉。供WindowManagerService调用的方法还有gotoSleep和其他一些获取电源状态的函数比如screenIsOn等等。

        在说对内，作为对外接口的userActivity方法主要是通过setPowerState来完成功能。把要设置的电源状态比如开关屏幕背光什么的作为参数调用setPowerState，setPowerState先判断下所要的状态能不能完成，比如要点亮屏幕的话但是现在屏幕被lock了那就不能亮了，否则就可以调用Power.setScreenState(true)来透过jni跑到driver里面去点亮屏幕了。

        而电源的状态循环则主要是通过Handler来实现的。PowerManagerService在init里面会启动一个HandlerThread一个后台消息循环来提供任务的延迟发送，就可以使用Handler来在定制推迟某一任务的执行时间，从而实现状态机的循环。比如timeout，一段时间之后无操作要让屏幕变暗，然后关闭，反映在代码里如下：

        userActivity里面在调用setPowerState之后会用setTimeoutLocked来设置timeout。然后在setTimeoutLocked里面会根据当前的状态来计算下一个状态以及时间，判断完再调用mHandler.postAtTime(mTimeoutTask, when)来post一个TimeoutTask。这样在when毫秒后就会执行TimeoutTask。在TimeoutTask里面则根据设定的状态来调用setPowerState来改变电源状态，然后再设定新的状态，比如现在是把屏幕从亮改暗了，那就再用setTimeoutLocked(now,
SCREEN_OFF)来等下把屏幕完全关掉。如果这次已经是把屏幕关了，那这轮的timeout状态循环就算是结束了。

        如果要定制的话，比如需求是在timeout屏幕关掉之后还要再关掉一些外围设备等等，那就在TimeoutTask里面把屏幕关掉之后再加上关闭其他设备的代码就好了。即使新的状态需求完全和原来的不一样，用Handler应该也不难。逻辑理清了把代码摆在合适的地方就好了。

总体上来说Android的电源管理还是比较简单的,主要就是通过锁和定时器来切换系统的状态,使系统的功耗降至最低,整个系统的电源管理架构图如下:
(注该图来自Steve Guo)
[align=left][/align]


 
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接下来我们从Java应用层面, Android framework层面,
Linux内核层面分别进行详细的讨论:
[align=left]应用层的使用:[/align]
[align=left]Android提供了现成android.os.PowerManager类,该类用于控制设备的电源状态的切换.[/align]
[align=left]该类对外有三个接口函数:[/align]
[align=left]         void goToSleep(long time); //强制设备进入Sleep状态[/align]
        
Note:
尝试在应用层调用该函数,却不能成功,出现的错误好象是权限不够,但在Framework下面的<
4000
span style="color:#FF0000;font-size:9pt;">Service里调用是可以的.
[align=left]         newWakeLock(int flags, String tag);//取得相应层次的锁[/align]
[align=left]flags参数说明:[/align]
[align=left][/align]

PARTIAL_WAKE_LOCK: Screen off, keyboard light off
SCREEN_DIM_WAKE_LOCK: screen dim, keyboard light off
SCREEN_BRIGHT_WAKE_LOCK: screen bright, keyboard light off
FULL_WAKE_LOCK: screen bright, keyboard bright
ACQUIRE_CAUSES_WAKEUP:一旦有请求锁时强制打开Screen和keyboard light
ON_AFTER_RELEASE:在释放锁时reset activity timer

[align=left][/align]
[align=left]Note:[/align]
[align=left]如果申请了partial wakelock,那么即使按Power键,系统也不会进Sleep,如Music播放时[/align]
[align=left]如果申请了其它的wakelocks,按Power键,系统还是会进Sleep[/align]
[align=left][/align]

void userActivity(long when, boolean noChangeLights);//User activity事件发生,设备会被切换到Full on的状态,同时Reset Screen off timer.
Sample code:
PowerManager pm = (PowerManager)getSystemService(Context.POWER_SERVICE);
PowerManager.WakeLock wl = pm.newWakeLock (PowerManager.SCREEN_DIM_WAKE_LOCK, “My Tag”);
wl.acquire();
…….
wl.release();

[align=left][/align]
[align=left]Note:[/align]
[align=left]1. 在使用以上函数的应用程序中,必须在其Manifest.xml文件中加入下面的权限:[/align]
[align=left]    <uses-permission android:name="android.permission.WAKE_LOCK" />[/align]
[align=left]<uses-permission android:name="android.permission.DEVICE_POWER" />[/align]
2. 所有的锁必须成对的使用,如果申请了而没有及时释放会造成系统故障.如申请了partial
wakelock,而没有及时释放,那系统就永远进不了Sleep模式.

[align=left]
[/align]
[align=left]Android Framework层面:[/align]
[align=left]其主要代码文件如下:[/align]
[align=left]frameworks\base\core\java\android\os\PowerManager.java[/align]
[align=left]frameworks\base\services\java\com\android\server\PowerManagerService.java[/align]
[align=left]frameworks\base\core\java\android\os\Power.java[/align]
[align=left]frameworks\base\core\jni\android_os_power.cpp[/align]
[align=left]hardware\libhardware\power\power.c[/align]
其中PowerManagerService.java是核心, Power.java提供底层的函数接口,与JNI层进行交互,
JNI层的代码主要在文件android_os_Power.cpp中,与Linux
kernel交互是通过Power.c来实现的, Andriod跟Kernel的交互主要是通过sys文件的方式来实现的,具体请参考Kernel层的介绍.
[align=left] [/align]
这一层的功能相对比较复杂,比如系统状态的切换,背光的调节及开关,Wake
Lock的申请和释放等等,但这一层跟硬件平台无关,而且由Google负责维护,问题相对会少一些,有兴趣的朋友可以自己查看相关的代码.

[align=left]
[/align]
[align=left]Kernel层:[/align]
[align=left]其主要代码在下列位置:[/align]
[align=left]drivers/android/power.c[/align]
[align=left]其对Kernel提供的接口函数有[/align]
[align=left][/align]

EXPORT_SYMBOL(android_init_suspend_lock); //初始化Suspend lock,在使用前必须做初始化
EXPORT_SYMBOL(android_uninit_suspend_lock); //释放suspend lock相关的资源
EXPORT_SYMBOL(android_lock_suspend); //申请lock,必须调用相应的unlock来释放它
EXPORT_SYMBOL(android_lock_suspend_auto_expire);//申请partial wakelock,定时时间到后会自动释放
EXPORT_SYMBOL(android_unlock_suspend); //释放lock
EXPORT_SYMBOL(android_power_wakeup); //唤醒系统到on
EXPORT_SYMBOL(android_register_early_suspend); //注册early suspend的驱动
EXPORT_SYMBOL(android_unregister_early_suspend); //取消已经注册的early suspend的驱动

[align=left][/align]
提供给Android Framework层的proc文件如下:
[align=left][/align]

"/sys/android_power/acquire_partial_wake_lock" //申请partial wake lock
"/sys/android_power/acquire_full_wake_lock" //申请full wake lock
"/sys/android_power/release_wake_lock" //释放相应的wake lock
"/sys/android_power/request_state" //请求改变系统状态,进standby和回到wakeup两种状态
"/sys/android_power/state" //指示当前系统的状态

[align=left][/align]
[align=left] [/align]
[align=left]Android的电源管理主要是通过Wake lock来实现的,在最底层主要是通过如下三个队列来实现其管理:[/align]
[align=left][/align]

static LIST_HEAD(g_inactive_locks);
static LIST_HEAD(g_active_partial_wake_locks);
static LIST_HEAD(g_active_full_wake_locks);

[align=left][/align]
所有初始化后的lock都会被插入到g_inactive_locks的队列中,而当前活动的partial
wake lock都会被插入到g_active_partial_wake_locks队列中,活动的full
wake lock被插入到g_active_full_wake_locks队列中,所有的partial
wake lock和full wake lock在过期后或unlock后都会被移到inactive的队列,等待下次的调用.
[align=left]在Kernel层使用wake lock步骤如下:[/align]
1.       调用函数android_init_suspend_lock初始化一个wake
lock
2.       调用相关申请lock的函数android_lock_suspend或android_lock_suspend_auto_expire请求lock,这里只能申请partial
wake lock,如果要申请Full wake lock,则需要调用函数android_lock_partial_suspend_auto_expire(该函数没有EXPORT出来),这个命名有点奇怪,不要跟前面的android_lock_suspend_auto_expire搞混了.
3.       如果是auto expire的wake
lock则可以忽略,不然则必须及时的把相关的wake lock释放掉,否则会造成系统长期运行在高功耗的状态.
[align=left]4.       在驱动卸载或不再使用Wake lock时请记住及时的调用android_uninit_suspend_lock释放资源.[/align]
[align=left] [/align]
系统的状态:
[align=left][/align]

USER_AWAKE, //Full on status
USER_NOTIFICATION, //Early suspended driver but CPU keep on
USER_SLEEP // CPU enter sleep mode

[align=left][/align]
[align=left]其状态切换示意图如下:[/align]
[align=left] [/align]



[align=left] [/align]
系统正常开机后进入到AWAKE状态, Backlight会从最亮慢慢调节到用户设定的亮度,系统screen
off timer(settings->sound & display-> Display settings -> Screen timeout)开始计时,在计时时间到之前,如果有任何的activity事件发生,如Touch
click, keyboard pressed等事件,则将Reset screen off timer,系统保持在AWAKE状态.如果有应用程序在这段时间内申请了Full
wake lock,那么系统也将保持在AWAKE状态,除非用户按下power key.在AWAKE状态下如果电池电量低或者是用AC供电screen
off timer时间到并且选中Keep screen on while pluged in选项,backlight会被强制调节到DIM的状态.
如果Screen off timer时间到并且没有Full wake lock或者用户按了power
key,那么系统状态将被切换到NOTIFICATION,并且调用所有已经注册的g_early_suspend_handlers函数,通常会把LCD和Backlight驱动注册成early
suspend类型,如有需要也可以把别的驱动注册成early suspend,这样就会在第一阶段被关闭.接下来系统会判断是否有partial
wake lock acquired,如果有则等待其释放,在等待的过程中如果有user activity事件发生,系统则马上回到AWAKE状态;如果没有partial
wake lock acquired, 则系统会马上调用函数pm_suspend关闭其它相关的驱动,让CPU进入休眠状态.
系统在Sleep状态时如果检测到任何一个Wakeup source,则CPU会从Sleep状态被唤醒,并且调用相关的驱动的resume函数,接下来马上调用前期注册的early
suspend驱动的resume函数,最后系统状态回到AWAKE状态.这里有个问题就是所有注册过early
suspend的函数在进Suspend的第一阶段被调用可以理解,但是在resume的时候,
Linux会先调用所有驱动的resume函数,而此时再调用前期注册的early suspend驱动的resume函数有什么意义呢?个人觉得android的这个early
suspend和late resume函数应该结合Linux下面的suspend和resume一起使用,而不是单独的使用一个队列来进行管理.

电源管理始终是手机等移动设备最重要的一个功能，尤其对于Android这种智能手机或者说手机电脑化的设备，电源管理更显得十分重要。Linux一直在传统的PC和服务器市场上有很好的应用，也有了比较好的电源管理框架，但是对于智能手机等嵌入式设备来说，Linux标准的电源管理就显得不是很适用了，有许多需要改进的地方。Android在这方面做了一些比较好的尝试，在这里我们将详细的介绍Android系统的电源管理系统，我们也不会仅仅局限在Android上，也会探讨一些比较好的电源管理技术，也会针对比较流行的OMAP平台探讨一些跟硬件相关的电源管理技术。

包括：Android suspend blocker（wake_lock），Android earylysuspend，Linux suspend framework， Linix Idle framework， LinuxCPUFreq framework。其中Wake Lock和earylysuspend是Android电源管理的两个核心功能，由于这两个驱动都是基于Linux系统标准的Suspend框架，因此我们首先来看看Linux系统Suspend框架，然后再来具体分析WakeLock和early
Suspend。

2.2.1 Linux Suspend/Resume Framework

Suspend/Resume是Linux系统电源管理的一个重要功能，Suspend可以在系统不使用的情况下进入低功耗活休眠状态下从而节省系统电源。Linux系统的Suspend有四种状态，对于不同的体系结构或者电源管理接口来说，状态的含义不一定完全相同，但是不会有太大的差别。下面的是ACPI电源接口的含义及其对应的SleepState。

- On（on）                                                            S0
- Working

- Standby （standby）                                           S1
- CPU and RAM are powered but not executed

- Suspend to RAM（mem）                                    S3 - RAM is powered
and the running content is saved to RAM

- Suspend to Disk，Hibernation（disk）                  S4 -  All contect is saved to Disk and powerdown

Linux系统的电源管理Suspend框架跟Linux系统的驱动模型（Linux DriverModel）是相关的，也是基于Linux的驱动模型来实现的，下面的图描述了Linux系统电源管理的Suspend系统框架，Linux的Suspend系统分为两部分，一部分是平台无关的核心层，另一个是平台相关的平台层。操作接口都在平台无关的核心层里了，平台相关部分。

根据Linux系统驱动模型，Device结构描述了一个设备，device_driver是设备的驱动，而class、type和bus分别描述了设备所属的类别、类型和总线。而设备的电源管理也根据此模型分为class级的、type级的、bus级的和驱动级的。如果一个设备的class或者bus确切的知道如何管理一个设备的电源的时候，驱动级别的suspend/resume就可以为空了。这极大的提高了电源管理的高效性和灵活性。

Linxux系统的suspend核心代码位于kernel/power目录下，主要的文件是main.c 和suspend.c。平台相关的代码一般位于平台（arch）的电源管理模块里，比如ARMOMAP34xx的电源管理（arch/arm/mach-omap2/pm-34xx.c）。这里我们将按照驱动程序的接口和调用过程来描述Linux系统是任何实现suspend电源管理功能的。下面的图描述了Linux系统的Suspend函数调用路径，可以看到Suspend和Resume的函数都是相对应的。

用户空间接口
首先我们来看一下suspend的用户空间接口，这是一个/sys文件系统接口，接口文件是/sys/power/state。这是我们在用户空间操作Suspend的唯一的一个接口。当我们向这个文件写入想要进入的有效的suspend状态的时候，系统就会调用Suspend函数进入到一个有效的suspend状态。比如我们向这个文件写入mem就会使系统进入Suspendto RAM状态，如下的命令：

echo mem > /sys/power/state

驱动在收到这个数据时就调用state_store函数来处理输入的状态，默认的状态是PM_SUSPEND_STANDBY，函数首先检查是否要进入Hibernation状态，如果是就调用hibernate()函数进入Hibernation状态，如果不是就找到要进入的状态，并调用suspend的enter_state函数进入suspend状态。我们看到在驱动的实现上把Suspend和Hibernation区分开了。因此Linux的PMSuspendState就有两个，standby和mem。注意这里没有on，因此你不能通过发送on命来到/sys/power/state或其他内核接口函数来唤醒系统，因为这是针对服务器/PC的，只能通过按键的方式（大多数的PC/笔记本都提供了Suspend键，也可能就是Power键）。

suspend_state_t state = PM_SUSPEND_STANDBY;
if (len == 4 && !strncmp(buf,"disk", len)) {
error = hibernate();
}
if (state < PM_SUSPEND_MAX&& *s)
error =enter_state(state);

enter_state是suspend.c里定义的接口函数，用来使系统进入指定的suspend状态。好了，剩下的事情就交给Suspend系统来处理了。

内核驱动接口及实现
Suspend接口函数

内核suspend核心系统定义了几个非局部的函数作为Suspend的接口函数（linux/suspend.h），前面的enter_state就是其中的一个，他们是:

int pm_suspend(suspend_state_t state);
void suspend_set_ops(struct platform_suspend_ops *ops);
int suspend_valid_only_mem(suspend_state_t state);
bool valid_state(suspend_state_t state);

但是这里并不是所有函数都EXPORT出来供其他模块函数使用。其实EXPORT出来的函数只有一个，就是pm_suspend。因此pm_suspend是唯一的一个外部可见的Suspend系统接口函数。pm_suspend函数接口很简单，就是enter_state函数的简单封装，它首先判断状态是否有效，如果有效就直接调用enter_state函数进入指定的状态。

int pm_suspend(suspend_state_t state)
{
if (state > PM_SUSPEND_ON&& state <=PM_SUSPEND_MAX)
returnenter_state(state);
return -EINVAL;
}

suspend_set_ops函数是提供给平台底层用来设置平台自己的suspend函数的。

suspend_valid_only_mem是一个通用的验证函数，用来验证是否仅支持PM_SUSPEND_MEM（mem）状态，提供这个函数是因为大多的平台也仅仅是支持PM_SUSPEND_MEM状态，因此suspend系统提供了这样一个函数，这样各个平台就可以共享而不用单独实现自己的验证函数了。

valid_state是一个suspend系统的验证函数，它会调用平台底层valid函数来验证当前的平台是否支持某一个状态。

System SuspendPath（路径）

前面我们提到了Suspend/Resume的调用路径，也称之为Suspend Path。这里我们详细的描述系统suspendpath及其功能。

Enter_suspend

首先是enter_suspend函数，这个函数处理进入和退出Suspend状态时的一些常规处理，其过程是：

第一，同步文件系统以保证所有数据都写到了存储设备上而不会因为suspend而丢失数据

sys_sync();

第二，调用suspend_prepare准备进入suspend状态，完成后，系统suspend状态变为PM_SUSPEND_PREPARE。这个函数主要完成几件事情：1）切换Console为SUSPEND_CONSOLE。2）通知pm_chain系统进入PM_SUSPEND_PREPARE状态（通过kernelnotifier机制）。3）关闭usermodehelper函数以阻止新的helper函数运行。4）冻结所有可冻结的任务（包括用户空间程序和部分内核空间线程）

pm_prepare_console();
pm_notifier_call_chain(PM_SUSPEND_PREPARE);
usermodehelper_disable();
suspend_freeze_processes();

第三，调用suspend_devices_and_enter(state);进入指定的suspend状态。

第四，系统已经从suspend里唤醒，调用suspend_finish()完成suspend操作。这个函数的功能与suspend_prepare相反的，目的是恢复suspend_prepare为进入suspend而进行的一些处理，就不详细描述了。

suspend_thaw_processes();
usermodehelper_enable();
pm_notifier_call_chain(PM_POST_SUSPEND);
pm_restore_console();

suspend_devices_and_enter