Linux系统中电源管理框架详解

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1. 前言

Linux内核提供了三种Suspend: Freeze、Standby和STR(Suspend to RAM)，在用户空间向”/sys/power/state”文件分别写入”freeze”、”standby”和”mem”，即可触发它们。
内核中，Suspend及Resume过程涉及到PM Core、Device PM、各个设备的驱动、Platform dependent PM、CPU control等多个模块，涉及了console switch、process freeze、CPU hotplug、wakeup处理等过个知识点。就让我们跟着内核代码，一一见识它们吧。

2. Suspend功能有关的代码分布

内核中Suspend功能有关的代码包括PM core、Device PM、Platform PM等几大块，具体如下：
1）PM Core

kernel/power/main.c----提供用户空间接口(/sys/power/state)

kernel/power/suspend.c----Suspend功能的主逻辑

kernel/power/suspend_test.c----Suspend功能的测试逻辑

kernel/power/console.c----Suspend过程中对控制台的处理逻辑

kernel/power/process.c----Suspend过程中对进程的处理逻辑

2）Device PM

drivers/base/power/*----具体可参考“Linux电源管理(4)_Power Management Interface”的描述。

设备驱动----具体设备驱动的位置，不再涉及。

3）Platform dependent PM

include/linux/suspend.h----定义platform dependent PM有关的操作函数集

arch/xxx/mach-xxx/xxx.c或者

arch/xxx/plat-xxx/xxx.c----平台相关的电源管理操作

3. suspend&resume过程概述

下面图片对Linux suspend&resume过程做了一个概述，读者可以顺着这个流程阅读内核源代码。具体的说明，可以参考后面的代码分析。

4. 代码分析

4.1 suspend入口

在用户空间执行如下操作：

echo "freeze" > /sys/power/state

echo "standby" > /sys/power/state

echo "mem" > /sys/power/state

会通过sysfs触发suspend的执行，相应的处理代码如下：

staticssize_t state_store(struct kobject *kobj,struct kobj_attribute *attr,
constchar*buf,size_t n)
{
suspend_state_t state;
int error;
 
error = pm_autosleep_lock();
if(error)
return error;
 
if(pm_autosleep_state()> PM_SUSPEND_ON){
error =-EBUSY;
goto out;
}
 
state = decode_state(buf, n);
if(state < PM_SUSPEND_MAX)
error = pm_suspend(state);
elseif(state == PM_SUSPEND_MAX)
error = hibernate();
else
error =-EINVAL;
 
out:
pm_autosleep_unlock();
return error ? error : n;
}
 
power_attr(state);

power_attr定义了一个名称为state的attribute文件，该文件的store接口为state_store，该接口在lock住autosleep功能后，解析用户传入的buffer（freeze、standby or mem），转换成state参数。
state参数的类型为suspend_state_t，在include\linux\suspend.h中定义，为电源管理状态在内核中的表示。具体如下：

typedefint __bitwise suspend_state_t;
 
#define PM_SUSPEND_ON ((__force suspend_state_t)0)
#define PM_SUSPEND_FREEZE ((__force suspend_state_t)1)
#define PM_SUSPEND_STANDBY ((__force suspend_state_t)2)
#define PM_SUSPEND_MEM ((__force suspend_state_t)3)
#define PM_SUSPEND_MIN PM_SUSPEND_FREEZE
#define PM_SUSPEND_MAX ((__force suspend_state_t)4)

根据state的值，如果不是（PM_SUSPEND_MAX，对应hibernate功能），则调用pm_suspend接口，进行后续的处理。 
pm_suspend在kernel/power/suspend.c定义，处理所有的suspend过程。  

4.2 pm_suspend & enter_state

pm_suspend的实现非常简单，简单的做一下参数合法性判断，直接调用enter_state接口，如下：

int pm_suspend(suspend_state_t state)
{
int error;
 
if(state <= PM_SUSPEND_ON || state >= PM_SUSPEND_MAX)
return-EINVAL;
 
error = enter_state(state);
if(error){
suspend_stats.fail++;
dpm_save_failed_errno(error);
}else{
suspend_stats.success++;
}
return error;
}

enter_state代码为：

staticint enter_state(suspend_state_t state)
{
int error;
 
if(!valid_state(state))
return-ENODEV;
 
if(!mutex_trylock(&pm_mutex))
return-EBUSY;
 
if(state == PM_SUSPEND_FREEZE)
freeze_begin();
 
printk(KERN_INFO "PM: Syncing filesystems ... ");
sys_sync();
printk("done.\n");
 
pr_debug("PM: Preparing system for %s sleep\n", pm_states[state]);
error = suspend_prepare(state);
if(error)
gotoUnlock;
 
if(suspend_test(TEST_FREEZER))
gotoFinish;
 
pr_debug("PM: Entering %s sleep\n", pm_states[state]);
pm_restrict_gfp_mask();
error = suspend_devices_and_enter(state);
pm_restore_gfp_mask();
 
Finish:
pr_debug("PM: Finishing wakeup.\n");
suspend_finish();
Unlock:
mutex_unlock(&pm_mutex);
return error;
}

主要工作包括：
a）调用valid_state，判断该平台是否支持该电源状态。
suspend的最终目的，是让系统进入可恢复的挂起状态，而该功能必须有平台相关代码的参与才能完成，因此内核PM Core就提供了一系列的回调函数（封装在platform_suspend_ops中），让平台代码（如arch/arm/mach-xxx/pm.c）实现，然后由PM Core在合适的时机调用。这些回调函数包含一个valid函数，就是用来告知PM Core，支持哪些state。
最后看一下valid_state的实现（删除了无关代码）：

bool valid_state(suspend_state_t state)
{
if(state == PM_SUSPEND_FREEZE){
returntrue;
}
/*
* PM_SUSPEND_STANDBY and PM_SUSPEND_MEMORY states need lowlevel
* support and need to be valid to the lowlevel
* implementation, no valid callback implies that none are valid.
*/
return suspend_ops && suspend_ops->valid && suspend_ops->valid(state);
}

如果是freeze，无需平台代码参与即可支持，直接返回true。对于standby和mem，则需要调用suspend_ops的valid回掉，由底层平台代码判断是否支持。 
b）加互斥锁，只允许一个实例处理suspend。
c）如果state是freeze，调用freeze_begin，进行suspend to freeze相关的特殊动作。我会在后面统一分析freeze的特殊动作，这里暂不描述。
d）打印提示信息，同步文件系统。
e）调用suspend_prepare，进行suspend前的准备，主要包括switch console和process&thread freezing。如果失败，则终止suspend过程。
f）然后，调用suspend_devices_and_enter接口，该接口负责suspend和resume的所有实际动作。前半部分，suspend console、suspend device、关中断、调用平台相关的suspend_ops使系统进入低功耗状态。后半部分，在系统被事件唤醒后，处理相关动作，调用平台相关的suspend_ops恢复系统、开中断、resume device、resume console。
g）最后，调用suspend_finish，恢复（或等待恢复）process&thread，还原console。  
4.3 suspend_prepare
suspend_prepare的代码如下：

staticint suspend_prepare(suspend_state_t state)
{
int error;
 
if(need_suspend_ops(state)&&(!suspend_ops ||!suspend_ops->enter))
return-EPERM;
 
pm_prepare_console();
 
error = pm_notifier_call_chain(PM_SUSPEND_PREPARE);
if(error)
gotoFinish;
 
error = suspend_freeze_processes();
if(!error)
return0;
 
suspend_stats.failed_freeze++;
dpm_save_failed_step(SUSPEND_FREEZE);
Finish:
pm_notifier_call_chain(PM_POST_SUSPEND);
pm_restore_console();
return error;
}

主要工作为：
a）检查suspend_ops是否提供了.enter回调，没有的话，返回错误。
b）调用pm_prepare_console，将当前console切换到一个虚拟console并重定向内核的kmsg（需要的话）。该功能称作VT switch，后面我会在稍微详细的介绍一下，但Linux控制台子系统是相当复杂的，更具体的分析，要在控制台子系统的分析文章中说明。
c）调用pm_notifier_call_chain，发送suspend开始的消息（PM_SUSPEND_PREPARE），后面会详细描述。
d）调用suspend_freeze_processes，freeze用户空间进程和一些内核线程。该功能称作freezing-of-tasks，我会专门用一篇文章去分析它。本文就不再详细说明了。
e）如果freezing-of-tasks失败，调用pm_restore_console，将console切换回原来的console，并返回错误，以便能终止suspend。  
4.4 suspend_devices_and_enter
suspend_devices_and_enter的过程较为复杂，代码实现如下：

int suspend_devices_and_enter(suspend_state_t state)
{
int error;
bool wakeup =false;
 
if(need_suspend_ops(state)&&!suspend_ops)
return-ENOSYS;
 
trace_machine_suspend(state);
if(need_suspend_ops(state)&& suspend_ops->begin){
error = suspend_ops->begin(state);
if(error)
gotoClose;
}
suspend_console();
ftrace_stop();
suspend_test_start();
error = dpm_suspend_start(PMSG_SUSPEND);
if(error){
printk(KERN_ERR "PM: Some devices failed to suspend\n");
gotoRecover_platform;
}
suspend_test_finish("suspend devices");
if(suspend_test(TEST_DEVICES))
gotoRecover_platform;
 
do{
error = suspend_enter(state,&wakeup);
}while(!error &&!wakeup && need_suspend_ops(state)
&& suspend_ops->suspend_again && suspend_ops->suspend_again());
 
Resume_devices:
suspend_test_start();
dpm_resume_end(PMSG_RESUME);
suspend_test_finish("resume devices");
ftrace_start();
resume_console();
Close:
if(need_suspend_ops(state)&& suspend_ops->end)
suspend_ops->end();
trace_machine_suspend(PWR_EVENT_EXIT);
return error;
 
Recover_platform:
if(need_suspend_ops(state)&& suspend_ops->recover)
suspend_ops->recover();
gotoResume_devices;
}

a）再次检查平台代码是否需要提供以及是否提供了suspend_ops。
b）调用suspend_ops的begin回调（有的话），通知平台代码，以便让其作相应的处理（需要的话）。可能失败，需要跳至Close处执行恢复操作（suspend_ops->end）。
c）调用suspend_console，挂起console。该接口由"kernel\printk.c"实现，主要是hold住一个lock，该lock会阻止其它代码访问console。
d）调用ftrace_stop，停止ftrace功能。ftrace是一个很有意思的功能，后面再介绍。
e）调用dpm_suspend_start，调用所有设备的->prepare和->suspend回调函数（具体可参考“Linux电源管理(4)_Power Management Interface”的描述），suspend需要正常suspend的设备。suspend
device可能失败，需要跳至 Recover_platform，执行recover操作（suspend_ops->recover）。
f）以上都是suspend前的准备工作，此时，调用suspend_enter接口，使系统进入指定的电源状态。该接口的内容如下：

staticint suspend_enter(suspend_state_t state,bool*wakeup)
{
int error;
 
if(need_suspend_ops(state)&& suspend_ops->prepare){
error = suspend_ops->prepare();
if(error)
gotoPlatform_finish;
}
 
error = dpm_suspend_end(PMSG_SUSPEND);
if(error){
printk(KERN_ERR "PM: Some devices failed to power down\n");
gotoPlatform_finish;
}
 
if(need_suspend_ops(state)&& suspend_ops->prepare_late){
error = suspend_ops->prepare_late();
if(error)
gotoPlatform_wake;
}
 
if(suspend_test(TEST_PLATFORM))
gotoPlatform_wake;
 
/*
* PM_SUSPEND_FREEZE equals
* frozen processes + suspended devices + idle processors.
* Thus we should invoke freeze_enter() soon after
* all the devices are suspended.
*/
if(state == PM_SUSPEND_FREEZE){
freeze_enter();
gotoPlatform_wake;
}
 
error = disable_nonboot_cpus();
if(error || suspend_test(TEST_CPUS))
gotoEnable_cpus;
 
arch_suspend_disable_irqs();
BUG_ON(!irqs_disabled());
 
error = syscore_suspend();
if(!error){
*wakeup = pm_wakeup_pending();
if(!(suspend_test(TEST_CORE)||*wakeup)){
error = suspend_ops->enter(state);
events_check_enabled =false;
}
syscore_resume();
}
 
arch_suspend_enable_irqs();
BUG_ON(irqs_disabled());
 
Enable_cpus:
enable_nonboot_cpus();
 
Platform_wake:
if(need_suspend_ops(state)&& suspend_ops->wake)
suspend_ops->wake();
 
dpm_resume_start(PMSG_RESUME);
 
Platform_finish:
if(need_suspend_ops(state)&& suspend_ops->finish)
suspend_ops->finish();
 
return error;
}

        f1）该接口处理完后，会通过返回值告知是否enter成功，同时通过wakeup指针，告知调用者，是否有wakeup事件发生，导致电源状态切换失败。
        f2）调用suspend_ops的prepare回调（有的话），通知平台代码，以便让其在即将进行状态切换之时，再做一些处理（需要的话）。该回调可能失败（平台代码出现意外），失败的话，需要跳至Platform_finish处，调用suspend_ops的finish回调，执行恢复操作。
        f3）调用dpm_suspend_end，调用所有设备的->suspend_late和->suspend_noirq回调函数（具体可参考“Linux电源管理(4)_Power Management
Interface”的描述），suspend late suspend设备和需要在关中断下suspend的设备。需要说明的是，这里的noirq，是通过禁止所有的中断线的形式，而不是通过关全局中断的方式。同样，该操作可能会失败，失败的话，跳至Platform_finish处，执行恢复动作。
        f4）调用suspend_ops的prepare_late回调（有的话），通知平台代码，以便让其在最后关头，再做一些处理（需要的话）。该回调可能失败（平台代码出现意外），失败的话，需要跳至Platform_wake处，调用suspend_ops的wake回调，执行device的resume、调用suspend_ops的finish回调，执行恢复操作。
        f5）如果是suspend to freeze，执行相应的操作，包括冻结进程、suspended devices（参数为PM_SUSPEND_FREEZE）、cpu进入idle。如果有任何事件使CPU从idle状态退出，跳至Platform_wake处，执行wake操作。
        f6）调用disable_nonboot_cpus，禁止所有的非boot cpu。也会失败，执行恢复操作即可。
        f7）调用arch_suspend_disable_irqs，关全局中断。如果无法关闭，则为bug。
        f8）调用syscore_suspend，suspend system core。同样会失败，执行恢复操作即可。有关syscore，我会在另一篇文章中详细描述。
        f9）如果很幸运，以上操作都成功了，那么，切换吧。不过，别高兴太早，还得调用pm_wakeup_pending检查一下，这段时间内，是否有唤醒事件发生，如果有就要终止suspend。
        f10）如果一切顺利，调用suspend_ops的enter回调，进行状态切换。这时，系统应该已经suspend了……
        f11）suspend过程中，唤醒事件发生，系统唤醒，该函数接着执行resume动作，并最终返回。resume动作基本上是suspend的反动作，就不再继续分析了。
        f12）或者，由于意外，suspend终止，该函数也会返回。
g）suspend_enter返回，如果返回原因不是发生错误，且不是wakeup事件。则调用suspend_ops的suspend_again回调，检查是否需要再次suspend。再什么情况下要再次suspend呢？需要看具体的平台了，谁知道呢。
h）继续resume操作，resume device、start ftrace、resume console、suspend_ops->end等等。
i）该函数返回后，表示系统已经resume。 
4.5 suspend_finish
比较简单：

staticvoid suspend_finish(void)
{
suspend_thaw_processes();
pm_notifier_call_chain(PM_POST_SUSPEND);
pm_restore_console();
}

a）恢复所有的用户空间进程和内核线程。
b）发送suspend结束的通知。
c）将console切换回原来的。   
 
5. 重要知识点回顾

5.1 VT switch

通常情况下，系统控制台模块（drivers\tty\vt\）会在suspend的过程中，重新分配一个console，并将控制台切换到该console上。然后在resume时，切换回旧的console。这就是VT switch功能。VT switch是很耗时的，因此内核提供了一些机制，控制是否使用这个功能：
1）提供一个接口函数pm_set_vt_switch（drivers\tty\vt\vt_ioctl.c），方便其它内核模块从整体上关闭或者开启VT switch功能。
2）VT switch全局开关处于开启状态时，满足如下的一种条件（可参考kernel\power\console.c相关的描述），即会使能VT switch
        a）有console driver调用pm_vt_switch_required接口，显式的要求使能VT switch。PM core的console模块会把这些信息记录在一个名称为pm_vt_switch_list的链表中。
       b）系统禁止在suspend的过程中suspend console（由kernel/printk.c中的console_suspend_enabled变量控制）。很有可能需要使用console查看suspend过程，此时为了使console不混乱，有必要进行VT switch。
       c）没有任何console driver关心是否需要VT switch，换句话说没有任何driver调用pm_vt_switch_required接口要求使能或禁止VT switch功能。此时会按照旧的习惯，进行VT switch。  
 
因此，suspend过程对console的处理分为4步：
prepare console：负责在需要VT swich时，将当前console切换到SUSPEND
console。

int pm_prepare_console(void)
{
if(!pm_vt_switch())
return0;
 
orig_fgconsole = vt_move_to_console(SUSPEND_CONSOLE,1);
if(orig_fgconsole <0)
return1;
 
orig_kmsg = vt_kmsg_redirect(SUSPEND_CONSOLE);
return0;
}

suspend console：挂起console，由kernel/printk.c实现，主要是hold住console用的互斥锁，使他人无法使用console。  
resume console：对console解锁。
restore console：将console恢复为初始的console。

void pm_restore_console(void)
{
if(!pm_vt_switch())
return;
 
if(orig_fgconsole >=0){
vt_move_to_console(orig_fgconsole,0);
vt_kmsg_redirect(orig_kmsg);
}
}

也许，您会问，why VT switch？先留着这个疑问吧，等到分析控制台时再回答。

5.2 freezing of task

进程的freezing功能，是suspend、hibernate等电源管理功能的组成部分，在新版本内核中，它被独立出来，作为一个独立的电源管理状态（freeze）。该功能的目的，是在电源管理的状态切换过程中，确保所有用户空间进程和部分内核线程处于一个稳定的状态。有关该功能的具体描述，请参考wowotech后续的文章。 

5.3 PM notifier

PM notifier是基于内核blocking notifier功能实现的。blocking notifier提供了一种kernel内部的消息通知机制，消息接受者通过notifier注册的方式，注册一个回调函数，关注消息发送者发出的notifier。当消息产生时，消息产生者通过调用回调函数的形式，通知消息接受者。这种调用，是可以被阻塞的，因此称作blocking notifier。
那suspend功能为什么使用notifier呢？原因可能有多种，这里我举一个例子，这是我们日常开发中可能会遇到的。
由之前的描述可知，suspend过程中，suspend device发生在进程被freeze之后，resume device发生在进程被恢复之前。那么：
1）如果有些设备就需要在freeze进程之前suspend怎么办？
2）如果有些设备的resume动作需要较多延时，或者要等待什么事情发生，那么如果它的resume动作发生在进程恢复之前，岂不是要阻止所有进程的恢复？更甚者，如果该设备要等待某个进程的数据才能resume，怎么办？
再来看suspend_prepare和suspend_finish中的处理：

staticint suspend_prepare(suspend_state_t state){
…
error = pm_notifier_call_chain(PM_SUSPEND_PREPARE);
if(error)
gotoFinish;
 
error = suspend_freeze_processes();
…
}
 
staticvoid suspend_finish(void)
{
suspend_thaw_processes();
pm_notifier_call_chain(PM_POST_SUSPEND);
pm_restore_console();
}

原来PM notifier是在设备模型的框架外，开了一个后门，那些比较特殊的driver，可以绕过设备模型，直接接收PM发送的suspend信息，以便执行自身的suspend动作。特别是resume时，可以在其它进程都正好工作的时候，只让suspend进程等待driver的resume。
感兴趣的读者，可以围观一下下面这个活生生的例子（顺便提一下，好的设计是不应该有例外的）：
drivers\video\omap2\dss\core.c  

5.4 device PM ops 和platform PM ops的调用时机

对Linux驱动工程师来说，device PM ops和platform
PM ops就是电源管理（suspend）的全部，只要在合适的地方，实现合适的回调函数，即可实现系统的电源管理。但现实太复杂了，以至于kernel提供的这两个数据结构也很复杂，再回忆一下，如下：

struct dev_pm_ops {
int(*prepare)(struct device *dev);
void(*complete)(struct device *dev);
int(*suspend)(struct device *dev);
int(*resume)(struct device *dev);
int(*freeze)(struct device *dev);
int(*thaw)(struct device *dev);
int(*poweroff)(struct device *dev);
int(*restore)(struct device *dev);
int(*suspend_late)(struct device *dev);
int(*resume_early)(struct device *dev);
int(*freeze_late)(struct device *dev);
int(*thaw_early)(struct device *dev);
int(*poweroff_late)(struct device *dev);
int(*restore_early)(struct device *dev);
int(*suspend_noirq)(struct device *dev);
int(*resume_noirq)(struct device *dev);
int(*freeze_noirq)(struct device *dev);
int(*thaw_noirq)(struct device *dev);
int(*poweroff_noirq)(struct device *dev);
int(*restore_noirq)(struct device *dev);
int(*runtime_suspend)(struct device *dev);
int(*runtime_resume)(struct device *dev);
int(*runtime_idle)(struct device *dev);
};
 
struct platform_suspend_ops {
int(*valid)(suspend_state_t state);
int(*begin)(suspend_state_t state);
int(*prepare)(void);
int(*prepare_late)(void);
int(*enter)(suspend_state_t state);
void(*wake)(void);
void(*finish)(void);
bool(*suspend_again)(void);
void(*end)(void);
void(*recover)(void);
};

虽然内核的注释已经相当详细了，但我们一定会犯晕，到底该实现哪些回调？这些回调的应用场景又是什么？蜗蜗以为，要熟练使用这些回调，唯一的方法就是多coding、多理解。除此之外，我们可以总结一下在电源状态切换时，这些回调的调用时机，从侧面帮助理解。如下（只介绍和suspend功能有关的，struct dev_pm_ops简称D，struct platform_suspend_ops简称P）：

5.5 suspend过程的同步和PM wakeup

最重要的事情，如果suspend的过程中，有唤醒事件产生怎么办？正常的流程，应该终止suspend，返回并处理事件。但由于suspend过程的特殊性，进程被freeze、关中断等等，导致事情并没有那么简单，以至于在很久的一段时间内，kernel都不能很好的处理。这也称作suspend过程的同步问题。
在美好的旧时光里，suspend大多用于热关机，因此同步问题的影响并不突出(因为操作并不频繁)。但来到新时代之后，事情变了，Android竟然用suspend作日常的待机（操作就相当频繁了），这时问题就大了。那怎么解决呢？得靠system wakeup framework，也就是suspend过程中所调用的pm_wakeup_pending接口所在的模块