在過去十年中，嵌入式設備的操作系統 （OS） 發生了顯著發展，解決了日益增長的處理器復雜性問題，并為開發復雜的應用程序提供了更完整的軟件平臺。然而，直到現在，電源管理仍然是事后的想法。隨著電源效率成為當今電子行業面臨的主要問題之一，操作系統在能源管理中發揮著舉足輕重的作用。

更智能的操作系統

操作系統最終控制所有設備，因此必須決定關閉什么以及何時關閉。但是電源管理提出了一些操作系統必須解決的問題。可以控制哪些設備？在低功耗狀態下節省了多少電量，進入這些狀態時是否必須保存一些上下文？恢復全功率需要多長時間？這些問題的答案因設備而異，因此操作系統必須能夠處理各種可能性。

考慮以下實際情況。如果操作系統關閉了某個設備并且很快又需要該設備，則在重新啟動時可能會出現令人討厭的延遲。另一方面，如果操作系統等待關閉設備的時間過長，就會白白浪費能源。然后，目標是找到讓操作系統就關閉什么和何時關閉做出明智決定的算法和方法。

反應式方法

無功功率管理代表了最基本的功率管理方法。今天的系統已經包含了電源管理的原始元素。例如，芯片制造商多年來一直在其設備中設計電源管理設施。有些是自動的，實現起來開銷很小；其他人需要軟件來管理系統。

但是，并非所有實時操作系統 （RTOS） 都提供限制功耗的必要功能。許多嵌入式操作系統旨在引導設備并啟用板上的所有驅動程序和網絡。但是，當將缺乏電源管理視為一項成本時，將每個設備一年的供電成本乘以世界上所有數十億臺設備，很快就會導致數百兆瓦時的電力浪費。

很明顯，系統必須變得更加節能，而無功功率管理是實現這一目標的第一步。設計人員必須首先了解每個設備在系統中的角色、其使用生命周期、與它相關的其他設備、它提供的控制以及如何通過啟用反應性方法來最大限度地減少其功耗。

實施無功功率管理涉及系統中每個功率域的狀態機。電源域是可以控制以最小化功耗的芯片或組件的區域。如果一個芯片可以斷電或進入低功耗狀態，那么它就是一個電源域。屬于該域的所有設備都由它控制。如果電源域由以太網控制器和 USB 控制器組成，并且其中任何一個都需要全電平電源，則電源域必須打開。但是，如果沒有一個都在使用電源，則可以將其斷電。

此外，電源域與其他設備有關聯。一個典型的例子是 LCD 及其背光。設計人員可以監控 LCD 上什么時候不會顯示任何內容，并且可以通過關閉背光來縮減背光消耗的功率。但是鍵盤呢？它必須在某個級別開啟，并且可能一直開啟。當有人觸摸一個鍵時，他們期望處于半功率狀態的背光將被帶至全功率。這是一個權力協會。

設備可以有非常簡單的狀態機和相關的超時，并且會響應一個過期的定時器來改變狀態。這是無功功率管理；電源決定是根據設備最后一次使用的時間做出的。采用這些技術的嵌入式系統制造商將立即看到其設備的節能效果。

主動策略

主動式電源管理是設計人員可以預測未來的概念。當然，這是不可能的；但是，設計人員可以使用復雜的調度技術來預測系統運行時的功耗。這些數據可以通過使用電力使用場景對系統進行編程或通過動態測量哪些域處于活動狀態以及何時處于活動狀態來手動發現。

例如，如果一個系統有 10 個任務并且所有任務都準備好運行，那么設計人員可以預期系統會在一段時間內忙于運行這些任務。以高功率運行 CPU 是有意義的。但是，哪些 10 個任務正在運行可能會產生顯著差異。如果設計人員能夠確定每次某個任務準備好運行（不管它實際是否被調度），系統將增加其功耗；然后他們可以使用動態電壓和頻率縮放 （DVFS） 來提供足夠的周期來完成工作而不會浪費電子。這說明了為什么在某些情況下，最好現在消耗更多的電量，以免在等待電源模式更改時降低用戶體驗的質量。

生態設計，打造更綠色的明天

設備集成商必須采取全面的節能方法，從能夠縮減功耗的硬件和基礎設施開始，并采用能夠控制設備整體功耗的軟件。這種方法的核心是結合了被動式和主動式電源管理技術的電源感知操作系統平臺。追求更節能設備的制造商將通過延長電池壽命來使他們的客戶受益，同時為我們所有人留下更環保的遺產。

審核編輯：郭婷