（转）Android Power Management

Android Power Management

 

    电源管理可以说是移动设备中最关键的技术之一，特别是对于现代的智能手机，具有大屏幕，高频处理器，大内存，各种外设多（gps，camera，传感器），多任务操作系统，等特点，电源管理尤其显得重要，如果没有一个高效的电源管理方案，你的smart phone可能跑2小时就没电了。

Android的电源管理技术有什么特点呢：

1. Application并不直接控制电源

2. Application hold 电源状态的 “locks“

3. 如果没有Application hold locks， Android将进入掉电模式

Android的电源管理有下面几个锁：

1. PARTIAL_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen off, keyboard off

    - 不能通过电源按钮进入掉电模式

2. SCREEN_DIM_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen dim, keyboard off

3. SCREEN_BRIGHT_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen bright, keyboard off

4. FULL_WAKE_LOCK

    - CPU on, screen on, keyboard bright 

5. ACQUIRE_CAUSES_WAKEUP

    - 一旦有请求锁时强制打开Screen和keyboard light 

6. ON_AFTER_RELEASE

    - 当lock被释放后，通过reset user activity timer使屏幕多亮一会儿 

Android的电源管理构架如下图所示(图中kernel部分代码的路径是老版本的android）：

=========================================================================

         总体上来说Android的电源管理还是比较简单的, 主要就是通过锁和定时器来切换系统的状态,使系统的功耗降至最低,整个系统的电源管理架构图如下: (注该图来自Steve Guo)

    接下来我们从Java应用层面, Android framework层面, Linux内核层面分别进行详细的讨论:

Android电源管理应用层的使用:

Android提供了现成android.os.PowerManager类,该类用于控制设备的电源状态的切换.

该类对外有三个接口函数:

void goToSleep(long time); //强制设备进入Sleep状态

Note:

尝试在应用层调用该函数,却不能成功,出现的错误好象是权限不够, 但在Framework下面的Service里调用是可以的.

newWakeLock(int flags, String tag);//取得相应层次的锁

flags参数说明:

PARTIAL_WAKE_LOCK: Screen off, keyboard light off
SCREEN_DIM_WAKE_LOCK: screen dim, keyboard light off
SCREEN_BRIGHT_WAKE_LOCK: screen bright, keyboard light off
FULL_WAKE_LOCK: screen bright, keyboard bright

ACQUIRE_CAUSES_WAKEUP: 一旦有请求锁时强制打开Screen和keyboard light

ON_AFTER_RELEASE: 在释放锁时reset activity timer

Note:

如果申请了partial wakelock,那么即使按Power键,系统也不会进Sleep,如Music播放时

如果申请了其它的wakelocks,按Power键,系统还是会进Sleep

void userActivity(long when, boolean noChangeLights);//User activity事件发生,设备会被切换到Full on的状态,同时Reset Screen off timer.
Sample code:
PowerManager pm = (PowerManager)getSystemService(Context.POWER_SERVICE);
PowerManager.WakeLock wl = pm.newWakeLock (PowerManager.SCREEN_DIM_WAKE_LOCK, “My Tag”);
wl.acquire();
…….
wl.release();

Note:

1. 在使用以上函数的应用程序中,必须在其Manifest.xml文件中加入下面的权限:

< uses-permission android:name="android.permission.WAKE_LOCK" />
< uses-permission android:name="android.permission.DEVICE_POWER" />

2. 所有的锁必须成对的使用,如果申请了而没有及时释放会造成系统故障.如申请了partial wakelock,而没有及时释放,那系统就永远进不了Sleep模式.




Android Framework层面:

其主要代码文件如下:

frameworks\base\core\java\android\os\PowerManager.java
frameworks\base\services\java\com\android\server\PowerManagerService.java
frameworks\base\core\java\android\os\Power.java
frameworks\base\core\jni\android_os_power.cpp
hardware\libhardware\power\power.c

其中PowerManagerService.java是核心, Power.java提供底层的函数接口,与JNI层进行交互, JNI层的代码主要在文件android_os_Power.cpp中,与Linux kernel交互是通过Power.c来实现的, Android电源管理跟Kernel的交互主要是通过sys文件的方式来实现的,具体请参考Kernel层的介绍.

这一层的功能相对比较复杂,比如系统状态的切换,背光的调节及开关,Wake Lock的申请和释放等等,但这一层跟硬件平台无关,而且由Google负责维护,问题相对会少一些,有兴趣的朋友可以自己查看相关的代码.

        其中PowerManager.java是提供给应用层调用的，最终的核心还是在PowerManagerService.java。这个类的作用就是提供PowerManager的功能，以及整个电源管理状态机的运行。里面函数和类比较多，就从对外和对内分两块来说。

        先说对外，PowerManagerService如何来进行电源管理，那就要有外部事件的时候去通知它，这个主要是在frameworks\base\services\java\com\android\server\WindowManagerService.java里面。WindowManagerService会把用户的点击屏幕，按键等作为user activity事件来调用userActivity函数，PowerManagerService就会在userActivity里面判断事件类型作出反映，是点亮屏幕提供操作，还是完全不理会，或者只亮一下就关掉。供WindowManagerService调用的方法还有gotoSleep和其他一些获取电源状态的函数比如screenIsOn等等。

        在说对内，作为对外接口的userActivity方法主要是通过setPowerState来完成功能。把要设置的电源状态比如开关屏幕背光什么的作为参数调用setPowerState，setPowerState先判断下所要的状态能不能完成，比如要点亮屏幕的话但是现在屏幕被lock了那就不能亮了，否则就可以调用Power.setScreenState(true)来透过jni跑到driver里面去点亮屏幕了。

        而电源的状态循环则主要是通过Handler来实现的。PowerManagerService在init里面会启动一个HandlerThread一个后台消息循环来提供任务的延迟发送，就可以使用Handler来在定制推迟某一任务的执行时间，从而实现状态机的循环。比如timeout，一段时间之后无操作要让屏幕变暗，然后关闭，反映在代码里如下：

        userActivity里面在调用setPowerState之后会用setTimeoutLocked来设置timeout。然后在setTimeoutLocked里面会根据当前的状态来计算下一个状态以及时间，判断完再调用mHandler.postAtTime(mTimeoutTask, when)来post一个TimeoutTask。这样在when毫秒后就会执行TimeoutTask。在TimeoutTask里面则根据设定的状态来调用setPowerState来改变电源状态，然后再设定新的状态，比如现在是把屏幕从亮改暗了，那就再用setTimeoutLocked(now, SCREEN_OFF)来等下把屏幕完全关掉。如果这次已经是把屏幕关了，那这轮的timeout状态循环就算是结束了。

        如果要定制的话，比如需求是在timeout屏幕关掉之后还要再关掉一些外围设备等等，那就在TimeoutTask里面把屏幕关掉之后再加上关闭其他设备的代码就好了。即使新的状态需求完全和原来的不一样，用Handler应该也不难。逻辑理清了把代码摆在合适的地方就好了。




Kernel层:

其主要代码在下列位置:

drivers/android/power.c

其对Kernel提供的接口函数有

EXPORT_SYMBOL(android_init_suspend_lock); //初始化Suspend lock,在使用前必须做初始化
EXPORT_SYMBOL(android_uninit_suspend_lock); //释放suspend lock相关的资源
EXPORT_SYMBOL(android_lock_suspend); //申请lock,必须调用相应的unlock来释放它
EXPORT_SYMBOL(android_lock_suspend_auto_expire);//申请partial wakelock, 定时时间到后会自动释放
EXPORT_SYMBOL(android_unlock_suspend); //释放lock
EXPORT_SYMBOL(android_power_wakeup); //唤醒系统到on
EXPORT_SYMBOL(android_register_early_suspend); //注册early suspend的驱动
EXPORT_SYMBOL(android_unregister_early_suspend); //取消已经注册的early suspend的驱动

提供给Android Framework层的proc文件如下:

"/sys/android_power/acquire_partial_wake_lock" //申请partial wake lock
"/sys/android_power/acquire_full_wake_lock" //申请full wake lock
"/sys/android_power/release_wake_lock" //释放相应的wake lock
"/sys/android_power/request_state" //请求改变系统状态,进standby和回到wakeup两种状态
"/sys/android_power/state" //指示当前系统的状态

Android电源管理主要是通过Wake lock来实现的,在最底层主要是通过如下三个队列来实现其管理:

static LIST_HEAD(g_inactive_locks);
static LIST_HEAD(g_active_partial_wake_locks);
static LIST_HEAD(g_active_full_wake_locks);

所有初始化后的lock都会被插入到g_inactive_locks的队列中,而当前活动的partial wake lock都会被插入到g_active_partial_wake_locks队列中, 活动的full wake lock被插入到g_active_full_wake_locks队列中, 所有的partial wake lock 和full wake lock在过期后或unlock后都会被移到inactive的队列,等待下次的调用.


在Kernel层使用wake lock步骤如下:

1. 调用函数android_init_suspend_lock初始化一个wake lock

2. 调用相关申请lock的函数android_lock_suspend 或 android_lock_suspend_auto_expire请求lock,这里只能申请partial wake lock, 如果要申请Full wake lock,则需要调用函数android_lock_partial_suspend_auto_expire(该函数没有EXPORT出来),这个命名有点奇怪,不要跟前面的android_lock_suspend_auto_expire搞混了.

3. 如果是auto expire的wake lock则可以忽略,不然则必须及时的把相关的wake lock释放掉,否则会造成系统长期运行在高功耗的状态.

4. 在驱动卸载或不再使用Wake lock时请记住及时的调用android_uninit_suspend_lock释放资源.

 

系统的状态:

         USER_AWAKE, //Full on status

         USER_NOTIFICATION, //Early suspended driver but CPU keep on

         USER_SLEEP // CPU enter sleep mode

其状态切换示意图如下:

 

系统正常开机后进入到AWAKE状态, Backlight会从最亮慢慢调节到用户设定的亮度,系统screen off timer(settings->sound & display-> Display settings -> Screen timeout)开始计时,在计时时间到之前,如果有任何的activity事件发生,如Touch click, keyboard pressed等事件, 则将Reset screen off timer, 系统保持在AWAKE状态. 如果有应用程序在这段时间内申请了Full wake lock,那么系统也将保持在AWAKE状态, 除非用户按下power key. 在AWAKE状态下如果电池电量低或者是用AC供电screen off timer时间到并且选中Keep screen on while pluged in选项,backlight会被强制调节到DIM的状态.

如果Screen off timer时间到并且没有Full wake lock或者用户按了power key,那么系统状态将被切换到NOTIFICATION,并且调用所有已经注册的g_early_suspend_handlers函数, 通常会把LCD和Backlight驱动注册成early suspend类型,如有需要也可以把别的驱动注册成early suspend, 这样就会在第一阶段被关闭. 接下来系统会判断是否有partial wake lock acquired, 如果有则等待其释放, 在等待的过程中如果有user activity事件发生,系统则马上回到AWAKE状态;如果没有partial wake lock acquired, 则系统会马上调用函数pm_suspend关闭其它相关的驱动, 让CPU进入休眠状态.

系统在Sleep状态时如果检测到任何一个Wakeup source, 则CPU会从Sleep状态被唤醒,并且调用相关的驱动的resume函数,接下来马上调用前期注册的early suspend驱动的resume函数,最后系统状态回到AWAKE状态.这里有个问题就是所有注册过early suspend的函数在进Suspend的第一阶段被调用可以理解,但是在resume的时候, Linux会先调用所有驱动的resume函数,而此时再调用前期注册的early suspend驱动的resume函数有什么意义呢?个人觉得android的这个early suspend和late resume函数应该结合Linux下面的suspend和resume一起使用,而不是单独的使用一个队列来进行管理.

=========================================================================

The above picture shows the overall architecture design of Android power management module. Android implements a very simple power management mechanism. Currently it only supports set screen on/off, screen backlight on/off, keyboard backlight on/off, button backlight on/off and adjust screen brightness. It does not support Sleep or Standby mode to fully use CPU’s capability.

The power management module has three channels to receive input: RPC call, Batter state change event and Power Setting change event. It communicated with other modules through either broadcasting intent or directly API call. The module also provide reboot and shutdown service. When battery is lower than thredshold, it will automatically shutdown the device.

The module will automatically set screen dim and off according to whether any user activity happens or not. The full state machine is shown as follows:

Detail

PowerManagerService.java is the core service. It calls Power.java to do the real work.

PowerManager.java is the proxy to RPC call PowerManagerService.java.

Power.java communicates with the low level through JNI.

android_os_Power.cpp is the JNI native implementation for Power.java. It calls Power.c to do the real work.

Power.c controls the power device driver through read/write the following sys files.

    "/sys/android_power/acquire_partial_wake_lock",

    "/sys/android_power/acquire_full_wake_lock",

    "/sys/android_power/release_wake_lock",

    "/sys/android_power/request_state"

    "/sys/android_power/auto_off_timeout",

    "/sys/class/leds/lcd-backlight/brightness",

    "/sys/class/leds/button-backlight/brightness",

    "/sys/class/leds/keyboard-backlight/brightness"

BatteryService.java registers itself as a UEvent observer for the path “/sys/class/power_supply”. If anything is changed in this path, it gets current state through JNI and then broadcasts ACTION_BATTERY_CHANGED intent.

com_android_server_BatteryService.cpp is the JNI native implementation for BatteryService.java. It gets current battery state through reading from the following files:

    "/sys/class/power_supply/ac/online"

    "/sys/class/power_supply/usb/online"

    "/sys/class/power_supply/battery/status"

    "/sys/class/power_supply/battery/health"

    "/sys/class/power_supply/battery/present"

    "/sys/class/power_supply/battery/capacity"

    "/sys/class/power_supply/battery/batt_vol"

    "/sys/class/power_supply/battery/batt_temp"

    "/sys/class/power_supply/battery/technology"

How to use

To call power module in app, the following is the sample code:

PowerManager pm = (PowerManager)mContext.getSystemService(Context.POWER_SERVICE);

PowerManager.WakeLock wl = pm.newWakeLock(

PowerManager.SCREEN_DIM_WAKE_LOCK

| PowerManager.ON_AFTER_RELEASE,

TAG);

wl.acquire();

// ...

wl.release();