Android 电源管理

电源管理可以说是移动设备中最关键的技术之一，特别是对于现代的智能手机，具有大屏幕，高频处理器，大内存，各种外设多（gps，camera，传感器），多任务操作系统，等特点，电源管理尤其显得重要，如果没有一个高效的电源管理方案，你的smart phone可能跑2小时就没电了。

Android的电源管理技术有什么特点呢：

1. Application并不直接控制电源

2. Application hold 电源状态的 “locks“

3. 如果没有Application hold locks， Android将进入掉电模式

Android的电源管理有下面几个锁：

1. PARTIAL_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen off, keyboard off

    - 不能通过电源按钮进入掉电模式

2. SCREEN_DIM_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen dim, keyboard off

3. SCREEN_BRIGHT_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen bright, keyboard off

4. FULL_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen on, keyboard bright 

5. ACQUIRE_CAUSES_WAKEUP

    - 一旦有请求锁时强制打开Screen和keyboard light 

6. ON_AFTER_RELEASE

    - 当lock被释放后，通过reset user activity timer使屏幕多亮一会儿 

Android的电源管理构架如下图所示(图中kernel部分代码的路径是老版本的android）：

下面我们看一个例子：

  
  
  
  

   
   
   
   
PowerManager pm = 
   
   
   
   
    (PowerManager) getSystemService(Context.POWER_SERVICE); 
   
   
   
   
PowerManager.WakeLock wl = 
   
   
   
   
    pm.newWakeLock(PowerManager.SCREEN_DIM_WAKE_LOCK, "tag"); 
   
   
   
   
wl.acquire(); 
   
   
   
   
// ..screen will stay on during this section.. 
   
   
   
   
wl.release(); 
  
  
  
  

这个例子首先通过getSystemService得到PowerManager， 然后生成一个SCREEN_DIM_WAKE_LOCK锁，并且通过acquire()方法使用这个锁，通过release()方法释放这个锁。 acquire和release必须成对使用，否则会造成系统电源管理的错误。（比如如果acquire了partial_wake_lock而忘记释放了，那么系统永远无法进入掉电模式），   还有，必须在AndroidManifest.xml中加入以下permission：

<uses-permission android:name="android.permission.WAKE_LOCK" />

<uses-permission android:name="android.permission.DEVICE_POWER" /> 

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         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)

 

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:

应用层的使用:

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.

该类对外有三个接口函数:

         void goToSleep(long time); //强制设备进入Sleep状态

         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Service里调用是可以的.

         newWakeLock(int flags, String tag);//取得相应层次的锁

flags参数说明:

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

Note:

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

如果申请了其它的wakelocks,按Power键,系统还是会进Sleep

         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();

Note:

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:

    <uses-permission android:name="android.permission.WAKE_LOCK" />

<uses-permission android:name="android.permission.DEVICE_POWER" />

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.

Android Framework层面:

其主要代码文件如下:

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

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

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

frameworks\base\core\jni\android_os_power.cpp

hardware\libhardware\power\power.c

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.

 

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.

Kernel层:

其主要代码在下列位置:

drivers/android/power.c

其对Kernel提供的接口函数有

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

 

提供给Android Framework层的proc文件如下:

"/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

 

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:

static LIST_HEAD(g_inactive_locks);

static LIST_HEAD(g_active_partial_wake_locks);

static LIST_HEAD(g_active_full_wake_locks);

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.

在Kernel层使用wake lock步骤如下:

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.

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.

 

系统的状态:

         USER_AWAKE, //Full on status

         USER_NOTIFICATION, //Early suspended driver but CPU keep on

         USER_SLEEP // CPU enter sleep mode

其状态切换示意图如下:

 

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.

由于本人对Android研究的时间还不长,也许其中有些地方理解不正确, 甚至是错误的, 请大家谅解. 如果大家发现有疑问的地方,有兴趣也可以一起来讨论.