Android 内核驱动——电源管理
Android 内核驱动——电源管理
13.1 基本原理
Android 中定义了几种低功耗状态：earlysuspend，suspend，hibernation。
earlysuspend 是一种低功耗的状态,某些设备可以选择进入某种功耗较低的状态,比如
LCD可以降低亮度或灭掉;
suspend是指除电源管理以外的其他外围模块以及cpu均不工作,只有内存保持自刷新的
状态;
hibernation 是指所有内存镜像都被写入磁盘中,然后系统关机,恢复后系统将能恢复到
“关机”之前的状态。
13.2 电源管理机制的实现
电源管理机制的源代码主要在 kernel/power/文件夹下面。
main.c文件是整个框架的入口。用户可以通过读写 sys文件/sys/power/state 实现控制系统进
入低功耗状态。用户对于/sys/power/state 的读写会调用到 main.c中的 state_store()，用户可
以写入const char * const pm_states[] 中定义的字符串， 比如“on” ， “mem” ， “standby” ，
“disk”。
state_store()首先判断用户写入的是否是“disk”字符串，如果是则调用hibernate()函数命令
系统进入hibernation状态。如果是其他字符串则调用 request_suspend_state()（如果未定义
CONFIG_EARLYSUSPEND）或者调用enter_state()（如果未定义 CONFIG_EARLYSUSPEND） 。
request_suspend_state()函数是 android 相对标准 linux 改动的地方，它实现在earlysuspend.c
中。在标准linux内核中， 用户通过 sysfs 写入“mem”和“standby”时， 会直接调用enter_state()
进入suspend模式，但在 android中则会调用request_suspend_state()函数进入early suspend
状态。request_suspend_state()函数代码如下：
void request_suspend_state(suspend_state_t new_state)
{
unsigned long irqflags;
int old_sleep;
spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
old_sleep = state & SUSPEND_REQUESTED;
......
if (!old_sleep && new_state != PM_SUSPEND_ON) {
state |= SUSPEND_REQUESTED;
//判断是否为省电请求,如果是排队一个 early_suspend_work
queue_work(suspend_work_queue, &early_suspend_work);
} else if (old_sleep && new_state == PM_SUSPEND_ON) {
state &= ~SUSPEND_REQUESTED;
wake_lock(&main_wake_lock);
//否则,是唤醒请求,排队 late_resume_work
queue_work(suspend_work_queue, &late_resume_work);
}
requested_suspend_state = new_state;
spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);
}
early_suspend_work和 late_resume_work定义为
static DECLARE_WORK(early_suspend_work, early_suspend);
static DECLARE_WORK(late_resume_work, late_resume);
可见实际工作的是 early_suspend 和 late_resume 这两个函 数。Android 提供了
register_early_suspend 和 unregister_early_suspend 两个函数供驱动调用，分别完成设备
earlysuspend的注册和注销。系统将所有注册支持early_suspend的设备驱动对应的 handler
挂在一个称为early_suspend_handler 的链表上。函数early_suspend和late_resume 完成的事
情很简单，就是遍历这个链表，依次调用每个设备注册的handler，late_resume 是唤醒处于
early_suspend的那些设备。代码如下：
static void early_suspend(struct work_struct *work)
{
struct early_suspend *pos;
unsigned long irqflags;
int abort = 0;
mutex_lock(&early_suspend_lock);
spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
if (state == SUSPEND_REQUESTED)
state |= SUSPENDED;
else
abort = 1;
spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);
if (abort) {
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("early_suspend： abort, state %d\n", state);
mutex_unlock(&early_suspend_lock);
goto abort;
}
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("early_suspend： call handlers\n");
//遍历链表依次调用每个驱动的 handler
list_for_each_entry(pos, &early_suspend_handlers, link) {
if (pos->suspend != NULL)
pos->suspend(pos);
}
mutex_unlock(&early_suspend_lock);
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("early_suspend： sync\n");
//同步文件系统
sys_sync();
abort：
spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
if (state == SUSPEND_REQUESTED_AND_SUSPENDED)
wake_unlock(&main_wake_lock);
spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);
}
static void late_resume(struct work_struct *work)
{
struct early_suspend *pos;
unsigned long irqflags;
int abort = 0;
mutex_lock(&early_suspend_lock);
spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
if (state == SUSPENDED)
state &= ~SUSPENDED;
else
abort = 1;
spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);
if (abort) {
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("late_resume： abort, state %d\n", state);
goto abort;
}
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("late_resume： call handlers\n");
//遍历链表依次调用每个驱动注册的 resume handler
list_for_each_entry_reverse(pos, &early_suspend_handlers, link)
if (pos->resume != NULL)
pos->resume(pos);
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("late_resume： done\n");
abort：
mutex_unlock(&early_suspend_lock);
}
register_early_suspend 函数完成的功能就是把驱动提供的 earlysuspend handler 挂到
early_suspend_handler链表上。unregister_early_suspend则相反，从链表上摘下 handler。
fbearlysuspend.c 和 consoleearlysuspend.c 这两个文件实现了针对 lcd framebuffer 的
earlysuspend 支持和 console 的 earlysuspend 支持。实际上这两个文件就是利用上面
earlysuspend.c提供的接口注册了针对 framebuffer 和console的 early suspend handler，并提
供相应的handler函数。
Hibernate.c 文件实现 hibernation 低功耗状态，是最彻底的低功耗模式，它把所有内存镜像
都写入磁盘中，然后系统关机。该文件还在 sysfs 文件系统中创建了多个 entry，分别是
/sys/power/disk，/sys/power/resume 和/sys/power/image_size，这样用户可以直接通过 sysfs
来控制系统进出hibernation状态。这块代码跟标准 Linux内核没有什么区别。
Android改动较大的另一处是增加了wakelock机制。实现在wakelock.c和userwakelock.c中。
wakelock可以阻止处于正常运行（active）或者空闲（idle）状态的系统进入睡眠等低功耗状
态。直到所持有的wakelock 全部被释放，系统才能进入睡眠等低功耗的状态。
wakelock有加锁和解锁两种状态，加锁的方式有两种，一种是永久的锁住，这样的锁除非显
示的放开，是不会解锁的。第二种是超时锁，这种锁会锁定系统一段时间，如果这个时间过
去了，这个锁会自动解除。
锁有两种类型：
WAKE_LOCK_SUSPEND ： 这 种 锁 会 防 止 系 统 进 入 睡 眠 , 这 种 锁 可 以 具 有
WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE属性,具有这种属性的锁称为超时锁(timeout)。
WAKE_LOCK_IDLE 这种锁不会影响系统的 suspend,用于阻止系统持有锁的过程中进入
low power的状态。
Android使用两条双向链表 active_wake_locks[WAKE_LOCK_TYPE_COUNT]分别保存处于 active
状态的suspend lock和 idle lock； 使用一条链表inactive_locks记录所有处于inactive 状态的
锁。
在系统启动的时候，会调用 wakelocks_init函数来完成 wakelock的初始化，但别的驱动程序
也可以再单独创建自用的wakelock，这里初始化的是系统默认的wake lock以及该机制依赖
的功能。
wakelocks_init函数做了以下事情：
初始化acitive_wake_locks链表
调用 wake_lock_init 初始化 main_wake_lock, unknown_wakeup 以及 deleted_wake_locks
（如果CONFIG_WAKELOCK_STAT 被定义）三个 WAKE_LOCK_SUSPEND型的锁
调用platform_device_register和platform_driver_register注册平台设备和驱动。
创建 suspend_work_queue 工作队列,这会在 wake_unlock 解锁的时候用到。
wake_lock_init()函数初始化一个锁,就是初始化表示一个 wakelock 的数据结构 struct
wake_lock,并将其挂到 inactive_locks链表上。
加锁有两个函数：wake_lock(struct wake_lock *lock)和ake_lock_timeout(struct wake_lock
*lock, long timeout),前者是没有指定过期时间的 （除非显式调用wake_unlock否则永远
锁住） ; 后者是有过期时间的 （时间过期后,锁会解锁,即使没有显式调用wake_unlock） 。
这两个函数内部都是通过调用wake_lock_internal()函数完成具体功能的。
wake_lock_internal()函数流程：
判断锁的类型是否有效,即是否为WAKE_LOCK_SUSPEND 或WAKE_LOCK_IDLE某一种
如果定义了CONFIG_WAKELOCK_STAT, 则更新struct wake_lock里面的用于统计锁信息的
成员变量
将锁从 inactive_locks 链表上取下,加到 active_wake_locks 链表上。如果是超期锁则设置
锁的flag|=WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE,否则取消 WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE标志。如果锁
是 WAKE_LOCK_SUSPEND型的,则继续下面的步骤。
对于WAKE_LOCK_SUSPEND型的锁如果它是超期锁,则调用has_wake_lock_locked函数检
查所有处于活动状态的 WAKE_LOCK_SUSPEND 锁（即在 active_wake_locks 链表上的
WAKE_LOCK_SUSPEND 锁,或者说当前被加锁了的 WAKE_LOCK_SUSPEND锁） ,是否有超期
锁已经过期,如果有则把过期超期锁从 active_wake_locks 上删除,挂到 inactive_locks 上。
同时它还检查链表上有没有非超期锁,如果有则直接返回-1,否则它最终返回的是所有超
期锁过期时间的最大值
如果 has_wake_lock_locked 函数返回的是-1（表示当前活动锁有非超时锁）或者 0（表
示所有活动锁都是超时锁,且全已经超时） ,则删除expire_timer,并排队一个 suspend工作
到 suspend_work_queue 工作队列,最终系统会 suspend
static long has_wake_lock_locked(int type)
{
struct wake_lock *lock, *n;
long max_timeout = 0;
BUG_ON(type >= WAKE_LOCK_TYPE_COUNT);
list_for_each_entry_safe(lock, n, &active_wake_locks[type], link) {
if (lock->flags & WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE) {
long timeout = lock->expires - jiffies;
if (timeout <= 0)
expire_wake_lock(lock);
else if (timeout > max_timeout)
max_timeout = timeout;
} else
return -1;
}
return max_timeout;
}
expire_timer定义为：
static DEFINE_TIMER(expire_timer, expire_wake_locks, 0, 0);
其handler expire_wake_locks 是实现超时锁机制的关键，定时器的expire时间被设置为当前
所有处于活动状态的WAKE_LOCK_SUSPEND锁超时值的最大值， 如果没有超时锁则设置 stop
它。当定时器expire的时候， 会在其处理函数expire_wake_locks中调用has_wake_lock_locked
函数把所有过期的锁全部解锁， 并排队一个suspend工作到suspend_work_queue工作队列，
最终系统会suspend。
static void expire_wake_locks(unsigned long data)
{
long has_lock;
unsigned long irqflags;
if (debug_mask & DEBUG_EXPIRE)
pr_info("expire_wake_locks： start\n");
spin_lock_irqsave(&list_lock, irqflags);
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
print_active_locks(WAKE_LOCK_SUSPEND);
has_lock = has_wake_lock_locked(WAKE_LOCK_SUSPEND);
if (debug_mask & DEBUG_EXPIRE)
pr_info("expire_wake_locks： done, has_lock %ld\n", has_lock);
if (has_lock == 0)
queue_work(suspend_work_queue, &suspend_work);
spin_unlock_irqrestore(&list_lock, irqflags);
}
suspend 函数完成 suspend 系统的任务，它是 suspend_work 这个工作的处理函数，
suspend_workk 排队到 suspend_work_queue 工作队列中，最终系统会处理这个 work，调用
其 handler 即 suspend 函 数 。 该 函 数 首 先 sync 文 件 系 统 ， 然 后 调 用
pm_suspend(request_suspend_state)，接下来 pm_suspend()就会调用 enter_state()来进入
linux的 suspend流程。
static void suspend(struct work_struct *work)
{
int ret;
int entry_event_num;
if (has_wake_lock(WAKE_LOCK_SUSPEND)) {
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("suspend： abort suspend\n");
return;
}
entry_event_num = current_event_num;
sys_sync();
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("suspend： enter suspend\n");
ret = pm_suspend(requested_suspend_state);
if (debug_mask & DEBUG_EXIT_SUSPEND) {
struct timespec ts;
struct rtc_time tm;
getnstimeofday(&ts);
rtc_time_to_tm(ts.tv_sec, &tm);
pr_info("suspend： exit suspend, ret = %d "
"(%d-%02d-%02d %02d：%02d：%02d.%09lu UTC)\n", ret,
tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,
tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec, ts.tv_nsec);
}
if (current_event_num == entry_event_num) {
if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
pr_info("suspend： pm_suspend returned with no event\n");
wake_lock_timeout(&unknown_wakeup, HZ / 2);
}
}
解锁由 wake_unlock 函数实现。该函数首先将该锁从 active 链表转移到 inactive 链表中。如
果是WAKE_LOCK_IDLE锁，就结束退出了。如果是WAKE_LOCK_SUSPEND 锁，则继续查看所
有处于 active 状态并且具有自动过期属性的锁（超时锁） ，遍历找到最晚过期时间，然后修
改expire_timer 的到期时间 （expire_timer 到期后会调用 suspend函数使系统进入 suspend状
态） ；否则，如果存在一个不具有 auto-expire属性的锁（非超期锁） ，则会导致 expire_timer
被 stop（或者说不再处于 active 的工作状态） 。另外，如果检查的过程中发现所有锁均处于
过期状态，则直接使用 queue_work启动 suspend过程。
userwakelock.c 文件实现的是 wakelock 机制的 sysfs 接口，用户可以通过这个接口操作锁，
加锁或解锁。它通过struct user_wake_lock 结构体将所有的锁组织成红黑树的形式，树的根
为user_wake_locks。
该文件是标准的sysfs接口函数， 提供了wake_lock_show、 wake_lock_store、 wake_unlock_show
和wake_unlock_store 四个函数， 这样用户可以通过echo， cat等命令写入或读出系统中 wake
lock。
因为 wakelock 在实现的过程中，默认初始化并添加一个 suspend lock 类型的非过期型锁
main_wake_lock（wakelocks_init 函数，wakelock.c） 。因此，系统将始终因为main_wakelock
的存在而正常运行。也就是说如果不添加新锁，将 main_wake_lock 解锁后，系统将进入睡
眠状态。
13.3 用户接口
电源管理内核层给应用层提供的接口就是sysfs 文件系统， 所有的相关接口都通过 sysfs实现。
Android上层frameworks也是基于sysfs做了包装， 最终提供给Android java应用程序的是java
类的形式。
Android系统会在sysfs里面创建以entry：
/sys/power/state
/sys/power/wake_lock
/sys/power/wake_unlock
echo mem > /sys/power/state
或者
echo standby > /sys/power/state
命令系统进入earlysuspend 状态，那些注册了early suspend handler 的驱动将依次进入各自
的earlysuspend 状态。
echo on > /sys/power/state
将退出early suspend状态
echo disk > /sys/power/state
命令系统进入hibernation状态
echo lockname > /sys/power/wake_lock
加锁“lockname”
echo lockname > /sys/power/wake_unlock
解锁“lockname”
上述是分别加锁和解锁的命令，一旦系统中所有 wakelock 被解锁，系统就会进入 suspend
状态，可见Android中原本使系统 suspend 的操作（echo mem > /sys/power/state 等）被替
换成使系统进入early suspend；而wake lock 机制成为用户命令系统进入suspend状态的唯
一途径。