深入探讨Linux Kernel suspend/resume 过程的实现原理和相关技术

在Linux内核中，suspend/resume过程是一种非常重要的过程。它可以实现系统的休眠和唤醒，提高系统的能效和响应速度。在本文中，我们将深入探讨Linux Kernel suspend/resume 过程的实现原理和相关技术。

休眠/唤醒在嵌入式Linux中是非常重要的部分,嵌入式设备尽可能的进入休眠状 态来延长电池的续航时间.这篇文章就详细介绍一下Linux中休眠/唤醒是如何工作 的

参考文章：作者: zhangjiejing Date: 2010-04-07, http://www.thinksrc.com

我的linux内核版本：3.0.31

对于休眠(suspend)的简单介绍

在Linux中,休眠主要分三个主要的步骤:

1、冻结用户态进程和内核态任务

2、调用注册的设备的suspend的回调函数

3、顺序是按照注册顺序

休眠核心设备和使CPU进入休眠态冻结进程是内核把进程列表中所有的进程的状态都设置为停止,并且保存下所有进程的上下文. 当这些进程被解冻的时候,他们是不知道自己被冻结过的,只是简单的继续执行.如何让Linux进入休眠呢?用户可以通过读写sys文件/sys /power/state 是实现控制系统进入休眠. 比如

# echo mem > /sys/power/state

命令系统进入休眠. 也可以使用

# cat /sys/power/state

来得到内核支持哪几种休眠方式.

Linux Suspend 的流程

相关的文件:

你可以通过访问Linux内核网站来得到源代码,下面是文件的路径:

kernel/kernel/power/main.c

kernel/kernel/power/suspend.c

kernel/driver/base/power/main.c

接下来让我们详细的看一下Linux是怎么休眠/唤醒的. Let ‘s going to see how these happens.

用户对于/sys/power/state 的读写会调用到 main.c中的state_store(), 用户可以写入 const char * const pm_state[] 中定义的字符串, 比如”mem”, “standby”.当然一般是由suspend和resume的按键控制的

然后state_store()会调用enter_state(), 它首先会检查一些状态参数,然后同步文件系统. 下面是代码:

1. /** 
2.  \* enter_state - Do common work of entering low-power state. 
3.  \* @state:   pm_state structure for state we're entering. 
4.  \* 
5.  \* Make sure we're the only ones trying to enter a sleep state. Fail 
6.  \* if someone has beat us to it, since we don't want anything weird to 
7.  \* happen when we wake up. 
8.  \* Then, do the setup for suspend, enter the state, and cleaup (after 
9.  \* we've woken up). 
10.  */ 
11. int enter_state(suspend_state_t state) 
12. { 
13.   int error; 
14.  
15.   if (!valid_state(state)) 
16. ​    return -ENODEV; 
17.  
18.   if (!mutex_trylock(&pm_mutex)) 
19. ​    return -EBUSY; 
20.  
21.   printk(KERN_INFO "PM: Syncing filesystems ... "); 
22.   sys_sync(); 
23.   printk("done.\n"); 
24.  
25.   pr_debug("PM: Preparing system for %s sleep\n", pm_states[state]); 
26.   error = suspend_prepare(); 
27.   if (error) 
28. ​    goto Unlock; 
29.  
30.   if (suspend_test(TEST_FREEZER)) 
31. ​    goto Finish; 
32.  
33.   pr_debug("PM: Entering %s sleep\n", pm_states[state]); 
34.   pm_restrict_gfp_mask(); 
35.   error = suspend_devices_and_enter(state); 
36.   pm_restore_gfp_mask(); 
37.  
38.  Finish: 
39.   pr_debug("PM: Finishing wakeup.\n"); 
40.   suspend_finish(); 
41.  Unlock: 
42.   mutex_unlock(&pm_mutex); 
43.   return error; 
44. } 

 

准备, 冻结进程

当进入到suspend_prepare()中以后, 它会给suspend分配一个虚拟终端来输出信 息, 然后广播一个系统要进入suspend的Notify, 关闭掉用户态的helper进程, 然后依次调用suspend_freeze_processes()冻结所有的进程, 这里会保存所有进程当前的状态, 也许有一些进程会拒绝进入冻结状态, 当有这样的进程存在的时候, 会导致冻结失败,此函数就会放弃冻结进程,并且解冻刚才冻结的所有进程.

1. /** 
2.  \* suspend_prepare - Do prep work before entering low-power state. 
3.  \* 
4.  \* This is common code that is called for each state that we're entering. 
5.  \* Run suspend notifiers, allocate a console and stop all processes. 
6.  */ 
7. static int suspend_prepare(void) 
8. { 
9.   int error; 
10.  
11.   if (!suspend_ops || !suspend_ops-**>**enter) 
12. ​    return -EPERM; 
13.  
14.   pm_prepare_console(); 
15.  
16.   error = pm_notifier_call_chain(PM_SUSPEND_PREPARE); 
17.   if (error) 
18. ​    goto Finish; 
19.  
20.   error = usermodehelper_disable(); 
21.   if (error) 
22. ​    goto Finish; 
23.  
24.   error = suspend_freeze_processes(); 
25.   if (!error) 
26. ​    return 0; 
27.  
28.   suspend_thaw_processes(); 
29.   usermodehelper_enable(); 
30.  Finish: 
31.   pm_notifier_call_chain(PM_POST_SUSPEND); 
32.   pm_restore_console(); 
33.   return error; 
34. } 

让外设进入休眠

现在, 所有的进程(也包括workqueue/kthread) 都已经停止了, 内核态人物有 可能在停止的时候握有一些信号量, 所以如果这时候在外设里面去解锁这个信号 量有可能会发生死锁, 所以在外设的suspend()函数里面作lock/unlock锁要非常 小心,这里建议设计的时候就不要在suspend()里面等待锁. 而且因为suspend的时候,有一些Log是无法输出的,所以一旦出现问题,非常难调试.

然后kernel在这里会尝试释放一些内存.

最后会调用suspend_devices_and_enter()来把所有的外设休眠, 在这个函数中, 如果平台注册了suspend_pos(通常是在板级定义中定义和注册), 这里就会调用 suspend_ops->begin(), 然后driver/base/power/main.c 中的 device_suspend()->dpm_suspend() 会被调用,他们会依次调用驱动的suspend() 回调来休眠掉所有的设备.

当所有的设备休眠以后, suspend_ops->prepare()会被调用, 这个函数通常会作 一些准备工作来让板机进入休眠. 接下来Linux,在多核的CPU中的非启动CPU会被关掉, 通过注释看到是避免这些其他的CPU造成race condion,接下来的以后只有一个CPU在运行了.

suspend_ops 是板级的电源管理操作, 通常注册在文件 arch/xxx/mach-xxx/pm.c 中.

接下来, suspend_enter()会被调用, 这个函数会关闭arch irq, 调用 device_power_down(), 它会调用suspend_late()函数, 这个函数是系统真正进入 休眠最后调用的函数, 通常会在这个函数中作最后的检查. 如果检查没问题, 接 下来休眠所有的系统设备和总线, 并且调用 suspend_pos->enter() 来使CPU进入 省电状态. 这时候,就已经休眠了.代码的执行也就停在这里了

1. /** 
2.  \* suspend_devices_and_enter - suspend devices and enter the desired system 
3.  \*         sleep state. 
4.  \* @state:    state to enter 
5.  */ 
6. int suspend_devices_and_enter(suspend_state_t state) 
7. { 
8.   int error; 
9.  
10.   if (!suspend_ops) 
11. ​    return -ENOSYS; 
12.  
13.   trace_machine_suspend(state); 
14.   if (suspend_ops-**>**begin) { 
15. ​    error = suspend_ops-**>**begin(state); 
16. ​    if (error) 
17. ​      goto Close; 
18.   } 
19.   suspend_console(); 
20.   suspend_test_start(); 
21.   error = dpm_suspend_start(PMSG_SUSPEND); 
22.   if (error) { 
23. ​    printk(KERN_ERR "PM: Some devices failed to suspend\n"); 
24. ​    goto Recover_platform; 
25.   } 
26.   suspend_test_finish("suspend devices"); 
27.   if (suspend_test(TEST_DEVICES)) 
28. ​    goto Recover_platform; 
29.  
30.   error = suspend_enter(state); 
31.  
32.  Resume_devices: 
33.   suspend_test_start(); 
34.   dpm_resume_end(PMSG_RESUME); 
35.   suspend_test_finish("resume devices"); 
36.   resume_console(); 
37.  Close: 
38.   if (suspend_ops-**>**end) 
39. ​    suspend_ops-**>**end(); 
40.   trace_machine_suspend(PWR_EVENT_EXIT); 
41.   return error; 
42.  
43.  Recover_platform: 
44.   if (suspend_ops-**>**recover) 
45. ​    suspend_ops-**>**recover(); 
46.   goto Resume_devices; 
47. } 

RESUME

如果在休眠中系统被中断或者其他事件唤醒, 接下来的代码就会开始执行, 这个 唤醒的顺序是和休眠的循序相反的,所以系统设备和总线会首先唤醒,使能系统中 断, 使能休眠时候停止掉的非启动CPU, 以及调用suspend_ops->finish(), 而且 在suspend_devices_and_enter()函数中也会继续唤醒每个设备,使能虚拟终端, 最后调用 suspend_ops->end().

在返回到enter_state()函数中的, 当 suspend_devices_and_enter() 返回以后, 外设已经唤醒了, 但是进程和任务都还是冻结状态, 这里会调用suspend_finish()来解冻这些进程和任务, 而且发出Notify来表示系统已经从suspend状态退出, 唤醒终端.

到这里, 所有的休眠和唤醒就已经完毕了, 系统继续运行了.

总之，suspend/resume过程是Linux内核中不可或缺的一部分。它可以实现系统的休眠和唤醒，提高系统的能效和响应速度。希望本文能够帮助读者更好地理解Linux Kernel suspend/resume 过程的实现原理和相关技术。

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