WinCE節能降耗新技巧:高效休眠喚醒
伴隨著嵌入式產品的普及，電源管理開發和設計成為了嵌入式系統開發的重點和重要部分。因為嵌入式設備對能耗越來越敏感，而電源管理技術正是這些產品設計的關鍵所在。目前嵌入式系統的電源管理技術正由傳統的基于電源管理器件和外設控制為主的靜態控制方式，轉到以操作系統為核心的動靜態結合的綜合控制模式。
為了應對電源管理面臨的挑戰，在嵌入式系統開發在時需要設計多種電源模式，以便在不同工作狀態時有多種能耗模式可供選擇。休眠和喚醒功能正是目前WINCW系統開發的研究熱點之一。
那么，休眠喚醒功能是什么原理呢?它能達到什么樣的效果。這首先要從硬件說起，當系統進入休眠模式后，整個系統會進入低功耗休眠模式，只有當外部中斷中任意一個中斷被觸發或者實時時鐘中斷被觸發時，系統才會被喚醒。
一.什么是休眠喚醒功能?
(1)什么是WinCE休眠喚醒功能?
在WinCE系統中支持多種電源狀態：①ON狀態，用戶在主動使用設備。②UserIdle狀態，用戶與設備停止交互，但仍有可能使用設備。③SystemIdle狀態，在經過一段時間的UserIdle后進入此狀態，但是驅動和系統仍然活動。④Suspend狀態，當驅動程序和系統進程不再與系統交互時進入此狀態。⑤ColdReboot和Reboot狀態，冷啟動后系統電源狀態。其中，按功率消耗由小到大可分為睡眠(sleep)、空閑(idle)、運行(Run)等模式。大多時間內，在運行態(Run)時設備全部正常工作，而在睡眠與空閑模式時系統則是按照特定的模式進行相應的節能。
通常，嵌入式系統在大多數時間都不需要關注WinCE 設備的電源損耗，但是在某些時候要注意這些損耗。因此，最好的節能方法是使系統適時的進出休眠狀態。例如，WinCE系統先檢查任務負載情況，如果沒有需要運行的任務，則一般進入空閑節能狀態等待喚醒，在空閑一段時間后再進入深度睡眠，掛起到RAM中或者硬盤上。
當WinCE 系統被掛起，為了省電系統需要關閉CPU處理器及大部分設備的供電，然后在需要喚醒時再通過定時器或中斷模塊喚醒。比如用戶按下On/Off按鈕時，或者監視用戶活動的定時器超時，或者應用程序API都可以使得嵌入式系統休眠。而當用戶再次按下On/Off或者有其它喚醒中斷發生時，系統內核調用OEMPowerOff()函數，在系統喚醒后繼續從OEMPowerOff()被掛起處執行。OEMPowerOff函數能進行CPU寄存器保存、設置及喚醒恢復等功能。系統Idle狀態和前面說的UserIdle狀態是不同概念，前者是CPU負荷驅動，代表系統空閑;后者是用戶活動驅動，代表用戶空閑。
(2)休眠喚醒功能的具體內容
一般來說,WINCE電源狀態有六種狀態，分別是S0到S5：S0實際上這就是我們平常的工作狀態，所有設備全開;S1也稱為POS(Power on Suspend)，這時除了通過CPU時鐘控制器將CPU關閉之外，其它的部件仍然正常工作;S2這時CPU處于停止運作狀態，總線時鐘也被關閉，但其余的設備仍然運轉;S3這就是我們熟悉的STR(Suspend to RAM);S4也稱為STD(Suspend to Disk)，這時系統主電源關閉，但是硬盤仍然帶電并可以被喚醒;S5這種狀態是最干脆的，就是連電源在內的所有設備全部關閉，即關機(Shutdown)。
WINCE電源管理休眠和喚醒可實現以下功能:用戶可以使外設在指定時間開關，或操作系統可以根據具體需求來分配電能源，或在無人使用時可以使系統進入休眠狀態，但保證一些通信設備打開。
也就是說，嵌入式系統能夠管理閑置的設備，關閉設備并提供恢復手段，主要支持三種節電方式：①Suspend即掛起，顯示屏自動關閉，只是主機通電。這時敲任意鍵即可恢復原來狀態。②Suspend to Ram 即掛起到內存，系統把當前信息儲存在內存中，只有內存等幾個關鍵部件通電，這時系統處在高度節電狀態，按任意鍵后系統從內存中讀取信息很快恢復到原來狀態。③Suspend to Disk即掛起到硬盤，即系統將自動關機，關機前將當前數據存儲在硬盤上，用戶下次按開關鍵開機時計算機將無須啟動系統，直接從硬盤讀取數據，恢復原來狀態。
在嵌入式系統中，我們最常用到的是S3狀態，即Suspend to RAM(掛起到內存)狀態。顧名思義，STR就是把系統進入STR前的工作狀態數據都存放到內存中去。在STR狀態下，電源仍然繼續為內存等最必要的設備供電，以確保數據不丟失，而其它設備均處于關閉狀態，系統的耗電量極低。一旦我們按下Power按鈕系統就被喚醒，馬上從內存中讀取數據并恢復到STR之前的工作狀態。
內存的讀寫速度極快，因此我們感到進入和離開STR狀態所花費的時間不過是幾秒鐘而已。而S4狀態即STD(掛起到硬盤)與STR的原理是完全一樣的，只不過數據是保存在硬盤中。由于硬盤的讀寫速度比內存要慢得多，因此用起來也就沒有STR那么快了，但STD模式是一種更省電的高級應用，是將當前系統狀態保存到硬盤后，硬盤隨即停止轉動系統進入低功耗狀態。當再開機時系統會跳過自檢，直接從硬盤恢復原來的系統狀態，而不是正常系統的默認狀態，從而縮短了開機時間。
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二.休眠功能的具體實現過程
WinCE休眠可以理解為待機，是把系統的功耗降到最低，但不是關機。讓WinCE系統進入休眠的方法有很多，如在應用程序或驅動中調用SetSystemPowerState函數。一般來說，對于支持電源管理的驅動，系統會調用此驅動的XXX_PowerDown接口來關閉設備電源，之后系統會再調用OEMPowerOff()函數來實現。OEMPowerOff()函數由OEM來完成，這個函數也許會位于 Power.c或者Off.c的文件中。OEMPowerOff()是由OEM來實現的，其代碼和流程也許不同，但基本按照下面的方法來完成：
(1)先進行休眠前平臺相關的動作
這些相關的平臺動作包括：為休眠模式設置合理的GPIO，合理配置實時時鐘在內的喚醒源，調用BSPPowerOFF關閉休眠時不必要的設備電源。比如清屏、設置AD、掛起USB等。還包括保存芯片所有的寄存器值到一個靜態數組(就是堆棧中)，比如將休眠返回地址或一些不希望在休眠模式下丟失的數據進行保存。最后，是調用 CPULCDOff函數來關閉LCD背光。
(2)調用 ConfigStopGPIO，設置各IO休眠后的狀態
這個動作是指保存當前GPIO和LCD控制器等信息在內存中，設置GPIO為低功耗狀態，關閉kitl LCD等設備。同時，呼叫OALCPUPowerOff()進行掛起。OALCPUPowerOff()是一個位于Startup.s中的匯編函數。通常還包括保存通用寄存器的值到堆棧，如保存Wakeup后的地址、MMU寄存器，并進入各模式將sp和lr寄存器保存到內存RAM的某一個位置，這個位置是由config.bib指定保留的。至于為什么不象之前一樣保存到堆棧呢?是因為系統喚醒后跳轉到Reset開始執行，這時候堆棧還沒有初始化，這也是Poweroff過程復雜的原因。
(3)屏蔽所有中斷，清理Cache
在設置好各IO的休眠狀態后，系統會在中斷屏蔽寄存器中屏蔽所有中斷，然后再清理Cache，做好休眠前的準備。
(4)設置喚醒中斷，調用 CPUPowerOff
一般來說，喚醒中斷可以是外部中斷0，1，2，或者RTC中斷。在設置好喚醒中斷后，系統需要再調用OALCPUPowerOff，并設置REFRESH讓SDRAM進入自刷新模式，然后等待SDRAM自刷新有效，并設置 MISCCR使 SDRAM 的信號 (SCLK0，SCLK1 and SCKE) 在 Power_OF 模式下被保護，設置CLKCON進入Power_OFF模式，最終CPU進入Poweroff狀態。但因為關機最終也會調到OEMPOWEROFF函數，所以在此函數中到底去休眠還是關機就要自己根據實際情況區分一下了。而且在這個過程中，最容易出問題的部分是調用OALCPUPowerOff的過程中，這是由于CPU在休眠期間是會掉電的。
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三.喚醒功能的具體實現流程
在休眠狀態，WINCW系統中消耗的能源會大幅度降低。那么接下來，就是另一個艱巨的任務了：系統喚醒。喚醒系統基本上是個硬件過程，它和硬件緊密相關。一般是用一個外部中斷來喚醒，這就要求休眠的時候這個中斷源不能斷電。一般來說，驅動程序里都已經做好了PowerUp和PowerDown，當然也有些驅動里有不同的處理，如使用PowerOn和PowerOff。但不論何種方式Reset，都是先執行Bootloader的代碼，所以喚醒過程需要Bootloader的參與配合。詳細的實現流程如下：
(1)通過喚醒源喚醒系統，產生內部復位信號
當我們細心觀看WINCE系統由SLEEP到NORMAL的切換時，中間要經過一個 RESET的過程，這個過程稱之為 Power On Reset。也就是說，當系統被外部中斷喚醒時，相當于發生了一次Power Reset的過程。那么喚醒系統，就類似于給系統做了一個硬件復位，并會在GSTATUS2中保存一個數值來表明Reset的原因。而且，Power On Reset后，在之前Sleep過程中保存下來的RAM里的系統數據是不會丟失的。我們要做的喚醒系統，就是把這些數值恢復到它原來的地址里去。
(2)測試是否是Power_OFF模式喚醒
當WINCE系統喚醒之后，它運行的第一段程序是什么呢?這點很重要，因為喚醒=Power Reset，所以Reset CPU之后，運行第一段程序自然就是Bootloader了。現在我們再看看Bootloader是怎么處理的，如果是Reset復位就會直接跳轉到0地址，也就是ResetHandler去執行。事實上，無論是HardReset還是PowerReset這個部分都要執行，主要是做初始化CPU時鐘的工作。這是因為Power off模式和其它睡眠模式不同，其它的睡眠模式喚醒后會從睡眠處繼續運行，而Power off模式喚醒后是從Reset處執行。
接下來，系統會通過讀取 GSTATUS2 寄存器里的數值，來判斷Reset的原因。如果這個值是0x2，那么就是喚醒引起的PowerReset，然后會繼續向下執行喚醒的恢復操作。例如，先是恢復CPU的時鐘，開啟RAM的自刷新，再跳轉到 RAM中的一個地址去執行Bootloader，然后把NandFlash里的數據裝載完畢，也就是說WINCE的操作系統被喚醒了。如果判斷GSTATUS2里的數值是0x4，則說明發生了看門狗Reset，那么就要執行看門狗Reset的恢復過程。如果二者都不是的話，那么就認為是發生了Hard Reset，就要按照正常的步驟去加載Wince系統。
(3)恢復SDRAM控制器信息，打開相關設備電源
系統喚醒的最后一個步驟，是系統會設置MISCCR，釋放SDRAM信號保護，然后等待直到SDRAM自刷新釋放。并讀取GSTATUS值，利用它們回復到睡眠前的程序位置。最后是恢復保存在內存中的GPIO和LCD控制器等信息，并調用BSPPowerOn打開相關設備電源，然后返回。
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