2.11 低功耗框架（power management）

2.11.1 概念

CPU电源管理的目的在于节约CPU的运行消耗功率，当CPU不执行任务时，进入idle task, idle task通常的做法是一个while（1）循环，但当CPU电源管理功能启用时，这个while（1）循环将被替换成将CPU设置为睡眠模式，从而节省CPU的功率消耗。CPU睡眠模式依据睡眠深度和节电程度，可以分成不同的几个睡眠状态，这种睡眠状态，我们称之为C状态。C状态包含以下状态：

（1）C0：可运行指令状态，CPU的电源保持供给，时钟也保持跳动。

（2）C1：不执行指令状态，CPU电源/时钟保持供给。所有的CPU都支持这种状态，这种状态可以通过执行一条CPU的指令来进入（WFI for ARM, HLT for IA 32-bit processors）。

（3）C2：可选，不执行指令状态，每种CPU进入C2的方法是不一样的，具体请参考CPU或SOC的用户手册，C2必须比C1更加省电。

（4）C3：可选，不执行指令状态，每种CPU进入C3的方法是不一样的，具体请参考CPU或SOC的用户手册，C3必须比C2更加省电。

（5）C4~Cn：可选，不执行指令状态。

2.11.2 TICKLESS

当CPU决定进入睡眠状态时，同时关闭系统tick中断，并在醒来时恢复系统tick中断并补偿tick到内核的做法，我们称之为TICKLESS。

1．关闭系统tick中断

关闭系统tick中断的目的是为了更加省电，当系统进入睡眠状态后，没有必要再保持系统tick中断的周期性发送，可以让CPU睡得更长，否则每个tick中断到来时，CPU需要周期性处理tick中断；另外，系统tick中断的周期性发生本身也耗电。

对于单核系统来说，当CPU决定睡眠前，就是关闭系统tick中断的时机。对于多核系统来说，情况稍微复杂一点，系统tick中断是一种全局性的操作系统资源，整个操作系统依赖中断来驱动一些操作系统事务，比如任务延迟、信号量延迟等待等跟时间相关的事务。所以，不是每一个core都能在决定睡眠前关闭系统tick，只有当所有core决定睡眠后，最后一个进入睡眠的core负责关闭系统tick。

2．唤醒TICKLESS睡眠状态下的CPU

依据CPU的睡眠程度不同，唤醒CPU的唤醒源也不同，一般来说，当CPU处于C1状态下，任务中断都能唤醒CPU，而当CPU处于深度睡眠，只有那些特定的唤醒源才能将其唤醒CPU。

one-shot中断可以由任何外设来编程产生。一般而言，硬件时钟天然支持产生one-shot中断，比如硬件timer或者RTC。one-shot中断的来源也可以是外部sensor，比如红外感应器，当感应到有人时就产生一个中断来唤醒CPU，这种机制可以应用在门铃等方案上。

3．进入TICKLESS睡眠时选择C状态

C1状态是天然支持TICKLESS工作的，但依据实际的方案不同，最终产品不一定会选取C1来工作。其他的C状态（如C2, C3, C4, …）依据硬件而定，C1状态是CPU天然支持的，而C2以及Cn（n=3,4,5, …）状态则完全由硬件制造商来决定。例如对STM32L496G-DISCO而言，此款板子支持C1/C2/C3/C4。

在进入TICKLESS睡眠时该选择哪个Cn状态？其基本原则是，CPU应该节省更多的电并且能够及时被唤醒来执行任务。一般地，Cn的n值越大意味着CPU从Cn状态的苏醒时间（下面将称之为latency）也越长。依据ACPI规范对C1的定义，符合ACPI标准的C1状态在返回时，系统软件可认为是没有延迟时间的，对于其他Cn状态的苏醒时间，则完全由硬件决定，但是系统软件必须考虑这个因素。

让我们来看一个案例：CPU支持三个C状态C1, C2, C3, latency of C1为0μs, latency of C2为500μs, latency of C3为1000μs。当操作系统决定进入TICKLESS睡眠模式200μs时，唯一可选的Cn状态只有C1，因为C2、C3的苏醒时间大于200μs。当操作系统决定进入TICKLESS模式550μs时，C1、C2状态都可以符合条件，如果进入C2状态，那么one-shot中断计划应该被设定到550μs-500μs=50μs，意味着CPU将睡眠50μs，然后加额外的苏醒时间500μs，整体花费时间是550μs，而另一个需要考虑的因素是C2状态比C1状态能节省更多的电力，所以在这个案例中，C2将作为最终选择。当操作系统决定进入TICKLESS状态1200μs时，将会选择C3，那么one-shot的编程产生时间将是1200μs-1000μs=200μs。