1.Linux电源管理-休眠与唤醒

1.休眠方式

 在内核中,休眠方式有很多种,可以通过下面命令查看

# cat /sys/power/state
          //来得到内核支持哪几种休眠方式. 

常用的休眠方式有freeze,standby, mem, disk

• freeze:   冻结I/O设备,将它们置于低功耗状态,使处理器进入空闲状态,唤醒最快,耗电比其它standby, mem, disk方式高
• standby:除了冻结I/O设备外,还会暂停系统,唤醒较快,耗电比其它 mem, disk方式高
• mem:      将运行状态数据存到内存,并关闭外设,进入等待模式,唤醒较慢,耗电比disk方式高
• disk:       将运行状态数据存到硬盘,然后关机,唤醒最慢

示例:

 # echo standby > /sys/power/state
                   // 命令系统进入standby休眠.

2.唤醒方式

当我们休眠时,如果想唤醒,则需要添加中断唤醒源,使得在休眠时,这些中断是设为开启的,当有中断来,则会退出唤醒,常见的中断源有按键,USB等.

3.以按键驱动为例(基于内核3.10.14)

在内核中,有个input按键子系统"gpio-keys"(位于driver/input/keyboard/gpio.keys.c),该平台驱动platform_driver已经在内核中写好了(后面会简单分析)

我们只需要在内核启动时,注册"gpio-keys"平台设备platform_device,即可实现一个按键驱动.

3.1首先使板卡支持input按键子系统(基于mips君正X1000的板卡)

查看Makefile,找到driver/input/keyboard/gpio.keys.c需要CONFIG_KEYBOARD_GPIO宏

方式1-修改对应板卡的defconfig文件,添加宏:

CONFIG_INPUT=y                             //支持input子系统(加载driver/input文件)
CONFIG_INPUT_KEYBOARD=y     　　　　　　　　 //支持input->keyboards(加载driver/input/keyboard文件)
CONFIG_KEYBOARD_GPIO=y                   //支持input->keyboards->gpio按键(加载gpio.keys.c)

方式2-进入make menuconfig

-> Device Drivers                                                                                                   
   -> Input device support        
     ->  [*]Keyboards   
             [*]  GPIO Buttons

3.2修改好后,接下来写my_button.c文件,来注册platform_device

#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/gpio_keys.h>
#include <linux/input.h>

struct gpio_keys_button __attribute__((weak)) board_buttons[] = {
         {
                  .gpio                 = GPIO_PB(31),    //按键引脚
                  .code   = KEY_POWER,                    //用来定义按键产生事件时,要上传什么按键值
                  .desc                 = "power key",    //描述信息,不填的话会默认设置为"gpio-keys"
                  .wakeup           =1,                   //设置为唤醒源
                  . debounce_interval =10,                //设置按键防抖动时间,也可以不设置
                  .type                = EV_KEY,
                  .active_low     = 1,                   //低电平有效
         },
};

static struct gpio_keys_platform_data  board_button_data = {
         .buttons  = board_buttons,
         .nbuttons         = ARRAY_SIZE(board_buttons),
};

struct platform_device  my_button_device = {
         .name               = "gpio-keys",
         .id             = -1,
         .num_resources      = 0,          
         .dev          = {
                .platform_data      = &board_button_data,
         }
};

static int __init button_base_init(void)
{
         platform_device_register(&my_button_device);
         return 0;
}

arch_initcall(button_base_init);     

上面的arch_initcall()表示:

会将button_base_init函数放在内核链接脚本.initcall3.init段中,然后在内核启动时,会去读链接脚本,然后找到button_base_init()函数,并执行它.

通常,在内核中,platform 设备的初始化（注册）用arch_initcall()调用

而驱动的注册则用module_init()调用,因为module_init()在arch_initcall()之后才调用

因为在init.h中定义:

#define pure_initcall(fn)                  __define_initcall(fn, 0)

#define core_initcall(fn)                  __define_initcall(fn, 1)

#define core_initcall_sync(fn)                __define_initcall(fn, 1s)

#define postcore_initcall(fn)          __define_initcall(fn, 2)

#define postcore_initcall_sync(fn)        __define_initcall(fn, 2s)

#define arch_initcall(fn)         __define_initcall(fn, 3)            // arch_initcall()优先级为3,比module_init()先执行

#define arch_initcall_sync(fn)                 __define_initcall(fn, 3s)

#define subsys_initcall(fn)              __define_initcall(fn, 4)

#define subsys_initcall_sync(fn)    __define_initcall(fn, 4s)

#define fs_initcall(fn)                       __define_initcall(fn, 5)

#define fs_initcall_sync(fn)             __define_initcall(fn, 5s)

#define rootfs_initcall(fn)               __define_initcall(fn, rootfs)

#define device_initcall(fn)              __define_initcall(fn, 6)                    //module_init()优先级为6

#define device_initcall_sync(fn)    __define_initcall(fn, 6s)

#define late_initcall(fn)          __define_initcall(fn, 7)

#define late_initcall_sync(fn)                  __define_initcall(fn, 7s)

... ...

#define  __initcall(fn)   device_initcall(fn)

#define  module_init(x)  __initcall(fn)　　　　　　　　　//module_init 等于 device_initcall

3.3然后将my_button.c文件添加到Makefile中

编译内核后,便实现一个简单的按键唤醒休眠了.

 

接下来开始分析platform_driver(位于driver/input/keyboard/gpio.keys.c),看看是如何注册按键和实现唤醒的.

4.分析driver/input/keyboard/gpio.keys.c

4.1该文件里有常用的函数有

static int gpio_keys_probe(struct platform_device *pdev);        

设置按键和input_dev,注册input-key子系统

static int gpio_keys_setup_key(struct platform_device *pdev,struct input_dev *input, struct gpio_button_data *bdata,const struct gpio_keys_button *button);

设置GPIO,设置input结构体支持的按键值,设置中断,设置防抖动机制

static irqreturn_t gpio_keys_irq_isr(int irq, void *dev_id);

按键中断函数,如果是中断源,则通过pm_stay_awake()通知pm子系统唤醒,如果有防抖动,则延时并退出,否则通过schedule_work()来调用gpio_keys_gpio_work_func()一次

static void gpio_keys_gpio_timer(unsigned long _data);

定时器超时处理函数,用来实现防抖动,里面会通过schedule_work()来调用一次gpio_keys_gpio_work_func();

static void gpio_keys_gpio_work_func(struct work_struct *work);

处理gpio事件函数,用来上报input事件,并判断按键中断源,如果是的话,则调用pm_relax(),通知pm子系统唤醒工作结束

void pm_wakeup_event(struct device *dev, unsigned int msec);

通知pm(power manager), 唤醒休眠

static int gpio_keys_suspend(struct device *dev);

休眠函数,休眠之前会被调用

static int gpio_keys_resume(struct device *dev);

唤醒函数,唤醒之前被调用

static SIMPLE_DEV_PM_OPS(gpio_keys_pm_ops, gpio_keys_suspend, gpio_keys_resume);

SIMPLE_DEV_PM_OPS宏位于pm.h,它将会定义一个dev_pm_ops结构体,用来被pm子系统调用,实现休眠唤醒

4.2 首先来看probe函数

如下图所示,probe函数为gpio_keys_probe()

 

gpio_keys_probe()函数定义如下所示:

static int gpio_keys_probe(struct platform_device *pdev)
{

struct device *dev = &pdev->dev;                           //获取平台设备的.dev
const struct gpio_keys_platform_data *pdata = dev_get_platdata(dev);   //获取my_button.c文件的board_button_data成员
struct gpio_keys_drvdata *ddata;                          //按键驱动数据
const struct gpio_keys_platform_data *pdata = dev_get_platdata(dev);      //获取平台总线设备数据

if (!pdata) {
               pdata = gpio_keys_get_devtree_pdata(dev);
                  if (IS_ERR(pdata))
                          return PTR_ERR(pdata);}

ddata = kzalloc(sizeof(struct gpio_keys_drvdata) +
                          pdata->nbuttons * sizeof(struct gpio_button_data),
                          GFP_KERNEL);                                          //给平台设备数据分配空间

input = input_allocate_device();                        //分配input 按键子系统
         if (!ddata || !input) {
                  dev_err(dev, "failed to allocate state
");
                  error = -ENOMEM;
                  goto fail1;
         }

 

ddata->pdata = pdata;                                     
ddata->input = input;
mutex_init(&ddata->disable_lock);

platform_set_drvdata(pdev, ddata);             
//将ddata保存到平台总线设备的私有数据。以后只需调用platform_get_drvdata()就能获取驱动数据
//设置pdev->dev->p结构体成员下的数据
//令pdev->dev->p->device = &pdev->dev
//pdev-> dev->p->driver_data = ddata

input_set_drvdata(input, ddata);
//将ddata保存到要注册的按键子系统驱动的私有数据中。以后只需调用input_get_drvdata()就能获取驱动数据
//设置input ->dev->p结构体成员下的数据
//令input ->dev->p->device = &pdev->dev
// input ->p->driver_data = ddata

         input->name = pdata->name ? : pdev->name;           //等于"gpio-keys"
         input->phys = "gpio-keys/input0";           //input 按键子系统处于/sys目录下的哪个路径
         input->dev.parent = &pdev->dev;
         input->open = gpio_keys_open;             //input打开操作,用来正常唤醒调用
         input->close = gpio_keys_close;            //input关闭操作,用来正常休眠调用

         input->id.bustype = BUS_HOST;             //设置总线
         input->id.vendor = 0x0001;
         input->id.product = 0x0001;
         input->id.version = 0x0100;

         /* Enable auto repeat feature of Linux input subsystem */
         if (pdata->rep)
        __set_bit(EV_REP, input->evbit);      
         for (i = 0; i < pdata->nbuttons; i++) {
                  const struct gpio_keys_button *button = &pdata->buttons[i];   //获取每个按键
                  struct gpio_button_data *bdata = &ddata->data[i];

                  error = gpio_keys_setup_key(pdev, input, bdata, button);// gpio_keys_setup_key()里会执行:
                           //赋值按键,使 bdata->button = button
                            //通过gpio_request_one()来申请button->gpio管脚为输入模式
                           //判断 button->debounce_interval成员,是否设置防抖动时间
                           //获取按键对应的中断号,并赋值给bdata->irq
                            //通过__set_bit()来让input 按键子系统支持button->code
                           //通过setup_timer()设置bdata->timer结构体对应的超时函数
                           //通过request_any_context_irq()函数注册按键中断:
                              // ----> 中断号为bdata->irq,中断名叫: button.desc("power key")
                              // ----> 中断标志位为(IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING)
                              // ----> 中断服务函数为gpio_keys_gpio_isr(),设置中断函数参数dev_id为bdata

                  if (error)
                          goto fail2;

                  if (button->wakeup)                 //判断该按键是否是唤醒源
                          wakeup = 1;            
         }

         error = sysfs_create_group(&pdev->dev.kobj, &gpio_keys_attr_group);   //在/sys/devices/platform/gpio-keys下创建sys设备节点
         if (error) {
                  dev_err(dev, "Unable to export keys/switches, error: %d
",
                          error);
                  goto fail2;
         }
         error = input_register_device(input);   //注册input按键子系统
         if (error) {
                  dev_err(dev, "Unable to register input device, error: %d
",
                          error);
                  goto fail3;
         }
         device_init_wakeup(&pdev->dev, wakeup);         //如果按键有设置唤醒源,则设置标志位
}

4.3其中device_init_wakeup()函数定义如下:

static inline int device_init_wakeup(struct device *dev, bool val)
{
         device_set_wakeup_capable(dev, val);  //设置dev->power.can_wakeup = val;
         device_set_wakeup_enable(dev, val);  //设置dev->power.should_wakeup = val;
         return 0;
}

然后休眠唤醒的时候,就会根据dev->power.can_wakeup和dev->power.should_wakeup来做不同的操作

4.4 其中gpio_keys_suspend()休眠函数定义如下所示:

static int gpio_keys_suspend(struct device *dev)
{
         struct gpio_keys_drvdata *ddata = dev_get_drvdata(dev);
         struct input_dev *input = ddata->input;
         int i;

         if (device_may_wakeup(dev)) //判断dev->power.can_wakeup和dev->power.should_wakeup,是否有中断源按键
　　　　　　{               
                  for (i = 0; i < ddata->pdata->nbuttons; i++) //如果有,则遍历每个按键
　　　　　　　　　　{
                          struct gpio_button_data *bdata = &ddata->data[i];
                          if (bdata->button->wakeup)
                                   enable_irq_wake(bdata->irq);  //将要睡眠的中断号屏蔽掉,实现休眠时保持中断唤醒
                 }
         } 
　　　　　　else
　　　　　 {
                  mutex_lock(&input->mutex);
                  if (input->users)
                          gpio_keys_close(input); //调用dev->platform_data-> disable成员函数
                  mutex_unlock(&input->mutex);
         }
         return 0;
}

从上面函数可以看到,进入休眠之前,我们需要调用enable_irq_wake()来设置唤醒源

 

4.5 然后在中断函数中,判断是否需要上报唤醒事件,中断函数如下所示:

static irqreturn_t gpio_keys_gpio_isr(int irq, void *dev_id)
{
         struct gpio_button_data *bdata = dev_id;
         BUG_ON(irq != bdata->irq);

         if (bdata->button->wakeup)
                  pm_stay_awake(bdata->input->dev.parent);       //如果是唤醒源,则通知pm子系统,处理唤醒事件,并等待结束

         if (bdata->timer_debounce)
                  mod_timer(&bdata->timer,jiffies + msecs_to_jiffies(bdata->timer_debounce));//如果设置防抖动,则启动定时器并退出

         else
                  schedule_work(&bdata->work);  //否则调用bdata->work对应的函数gpio_keys_gpio_work_func()
         return IRQ_HANDLED;
}

其中gpio_keys_gpio_work_func()函数如下所示:

static void gpio_keys_gpio_work_func(struct work_struct *work)
{
         struct gpio_button_data *bdata= container_of(work, struct gpio_button_data, work);  

         gpio_keys_gpio_report_event(bdata); //上传input按键事件
        
　　　　 if (bdata->button->wakeup)
　　　　　　pm_relax(bdata->input->dev.parent);      //如果是唤醒源,则通知pm子系统,唤醒中断处理结束。
}

从上面两个函数可以看到,唤醒休眠时,需要使用两个函数实现:

pm_stay_awake();                   //在中断入口调用,告知启动唤醒
pm_relax();                        //在中断出口调用,告知结束唤醒

在中断前调用pm_stay_awake(),中断结束时再调用一次pm_relax()函数.

 

4.6 如果想延时唤醒,也可以使用另一种唤醒休眠,则只需要一个函数实现:

pm_wakeup_event(struct device *dev, unsigned int msec);

         //通知pm子系统在msec后处理唤醒事件, msec=0,则表示立即唤醒

4.7 接下来来看gpio_keys_setup_key(),如何设置按键的(只加了重要的部分)

static int gpio_keys_setup_key(struct platform_device *pdev,
                                   struct input_dev *input,
                                   struct gpio_button_data *bdata,
                                   const struct gpio_keys_button *button)
{
         const char *desc = button->desc ? button->desc : "gpio_keys"; //获取平台设备设置的名字
         //… …
         error = gpio_request_one(button->gpio, GPIOF_IN, desc);//申请button->gpio引脚,并将引脚设为输入引脚,名字设置为desc

         if (button->debounce_interval)    
         {
　　　　　　　　bdata->timer_debounce =button->debounce_interval;      //设置防抖动时间 
　　　　　　}　　
　　　　　　irq = gpio_to_irq(button->gpio);                     //获取管脚对应的中断号　　
　　　　　　if (irq < 0) 
　　　　　　{　　
            //… …　　
        　　 goto fail;　　
　　　　　　}

　　　　 bdata->irq = irq;

　　INIT_WORK(&bdata->work, gpio_keys_gpio_work_func);　　
　　//初始化bdata->work,使bdata->work与gpio_keys_gpio_work_func()函数关联起来　　
　　//后面当调用schedule_work(&bdata->work)时,便会执行gpio_keys_gpio_work_func()函数
　　　　
　　setup_timer(&bdata->timer, gpio_keys_gpio_timer, (unsigned long)bdata);　　
         //设置gpio_keys_gpio_timer()定时器超时函数,用来实现防抖动,函数参数为bdata

　　irqflags = IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING;　　
                          //中断标志位

　　isr = gpio_keys_gpio_isr;                         

　　input_set_capability(input, button->type ?: EV_KEY, button->code); //使input 支持EV_KEY键盘事件,并使键盘事件支持button->code按键值
 
    error = request_any_context_irq(bdata->irq, isr, irqflags, desc, bdata);　　
           //通过request_any_context_irq()函数注册按键中断:　　
　　　　　　//中断号为bdata->irq,中断名叫: button.desc("power key")　　
　　　　　　//中断标志位为(IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING)　　
　　　　　　//中断服务函数为gpio_keys_gpio_isr(),设置中断函数参数dev_id为bdata

         return 0;
　　
}

通过gpio.keys.c,得出唤醒流程:

休眠时:

enable_irq_wake (bdata->irq);             
//将要睡眠的中断号屏蔽掉,实现休眠时保持中断唤醒

唤醒后:

disable_irq_wake(bdata->irq);      //关闭唤醒 

中断时,有两种唤醒PM模式

模式1-使用两个函数实现:

• 进入中断时调用一次pm_stay_awake().
• 退出时也调用一次pm_relax(bdata->input->dev.parent);

模式2-只需一个函数实现:

• 进入中断时调用pm_wakeup_event(struct device *dev, unsigned int msec).

5.接下来,我们自己写个按键字符驱动,实现休眠唤醒

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/pm.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/sysctl.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/input.h>
#include <linux/gpio_keys.h>
#include <linux/workqueue.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_platform.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <soc/gpio.h>


#define MYKEY_GPIO GPIO_PB(31)
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(mykey_waitqueue);

struct mykey_button {
         unsigned int gpio;           
         const char *desc;
         int wakeup;                                /*唤醒源*/             
         int debounce_interval;                     /* 防抖动 时间ms*/
         int wait_event;                            /*等待队列事件*/
         int key_val;                               /*按键值*/
         int irq;
         struct timer_list timer;                   /*防抖动定时器*/
         struct work_struct work;
         struct device *dev;
};


static struct mykey_button mykey_data={
                  .gpio = MYKEY_GPIO,
                  .desc = "mykey",
                  .wakeup = 1,
                  .debounce_interval = 10,                //10ms
                  .wait_event = 0,
};

 

static void mykey_func(struct work_struct *work)
{

         struct mykey_button *data = container_of(work, struct mykey_button, work);  //通过work成员变量找到父结构体

         if(data->wakeup)
         {
                  pm_wakeup_event(data->dev, 0);
         }

         data->key_val =gpio_get_value(data->gpio);
         data->wait_event =1;
         wake_up_interruptible(&mykey_waitqueue);                        //唤醒队列
}

static void mykey_irq_timer(unsigned long _data)
{
         struct mykey_button *data  =(struct mykey_button *)_data;
         schedule_work(&data->work);                                         //调用mykey_func()函数
}

static irqreturn_t  mykey_irq(int irq, void *dev_id)
{
         struct mykey_button *data =  dev_id;

         if(data->debounce_interval)
                  mod_timer(&data->timer, jiffies+msecs_to_jiffies(10));
         else
                  schedule_work(&data->work);

         return IRQ_HANDLED;
}

static ssize_t  mykey_read(struct file *file, char __user *user, size_t count, loff_t *ppos)
{
         wait_event_interruptible(mykey_waitqueue,mykey_data.wait_event );            //进入等待队列休眠,如果中断来数据,则跳出

         copy_to_user(user, &mykey_data.key_val, sizeof(mykey_data.key_val));

         mykey_data.wait_event =0;

         return 0;
}

static int mykey_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
         int err=0;
         int irq;
         err=gpio_request_one(mykey_data.gpio, GPIOF_DIR_IN,  mykey_data.desc);                //获取管脚,并设置管脚为输入
         if (err < 0) {
                  printk("mykey_open err : gpio_request_one  err=%d
",err);
                  return -EINVAL;
         }

         irq = gpio_to_irq(mykey_data.gpio);                      //获取IRQ中断号,用来注册中断
         if(irq<0)
         {
                  err =irq;
                  printk("mykey_open err : gpio_to_irq err=%d
",irq);
                  goto fail;
         }
         mykey_data.irq = irq;
         INIT_WORK(&mykey_data.work, mykey_func);            //初始化工作队列

         err=request_irq(irq,mykey_irq,IRQ_TYPE_EDGE_FALLING | IRQ_TYPE_EDGE_RISING, mykey_data.desc,&mykey_data);
         if (err) {
                  printk("mykey_open err : request_irq err=%d
",err);
                  goto fail;
         }
         if(mykey_data.wakeup)
                  enable_irq_wake(irq);                      //将引脚设为唤醒源

         if(mykey_data.debounce_interval)
                  setup_timer(&mykey_data.timer, mykey_irq_timer, (unsigned long)&mykey_data);  //设置定时器return 0;
fail:
         if (gpio_is_valid(mykey_data.gpio))
                  gpio_free(mykey_data.gpio);

         return err;
}

static int mykey_release(struct inode *inode, struct file *file)
{      
         free_irq(mykey_data.irq,&mykey_data);     
         cancel_work_sync(&mykey_data.work);
         if(mykey_data.wakeup)
                  disable_irq_wake(mykey_data.irq);
         if(mykey_data.debounce_interval)
                  del_timer_sync(&mykey_data.timer);
        gpio_free(mykey_data.gpio);
         return 0;
}

struct file_operations mykey_ops={
         .owner  = THIS_MODULE,
         .open    = mykey_open,
         .read    =  mykey_read,
         .release=mykey_release,
};

static int major;
static struct class *cls;
static int mykey_init(void)
{
         struct device *mydev;   
         major=register_chrdev(0,"mykey", &mykey_ops);
         cls=class_create(THIS_MODULE, "mykey");
         mydev = device_create(cls, 0, MKDEV(major,0),&mykey_data,"mykey");
         mykey_data.dev = mydev;
         return 0;
}

static void mykey_exit(void)
{
         device_destroy(cls, MKDEV(major,0));
         class_destroy(cls);
         unregister_chrdev(major, "mykey");
}

module_init(mykey_init);
module_exit(mykey_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

应用测试代码如下:

#include <sys/types.h>   
#include <sys/stat.h>    
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(int argc,char **argv)
{
 int fd,ret;
 unsigned int val=0;              
 fd=open("/dev/mykey",O_RDWR);       
 if(fd<0)
     {printf("can't open!!!
");
     return -1;}

 while(1)
 {
     ret=read(fd,&val,1);           //读取一个值,(当在等待队列时，本进程就会进入休眠状态)
     if(ret<0)
     {
     printf("read err!
");   
     continue;
     }
  printf("key_val=%d
",val);
}
 close(fd);
 return 0;
}

 试验:

./mykey_text &　　　　　　　　　　　　　　
 echo mem > /sys/power/state　　　　　　//然后按GPB31对应的按键来唤醒休眠