linux的睡眠框架及实现

睡眠 4 种模式：

• S2I (Suspend-to-Idle)： 挂起系统，IO进入低功耗模式。需配置CONFIG_SUSPEND。

• Standby：执行S2I后，把AP (nonboot CPU) 离线。除了CONFIG_SUSPEND的支持外，还需要向suspend子系统注册，如果是基于ACPI的系统，需要映射到S1状态。

• S2RAM(Suspend-to-RAM)：又称为STR，系统状态保存到内存，所有的外围设备，总线都进入低功耗或者断电的状态，内核在最后一步会把控制权给到BIOS，并映射到S3状态(ACPI系统)。除了CONFIG_SUSPEND的支持外，还需要向suspend子系统注册。

• Hibernation(Suspend-to-Disk or STD) : 创建当前系统的内存镜像(内核和应用进程)，保存到硬盘，然后，系统断电或者进入低功耗模式。唤醒时，bios启动一个新的内核(恢复内核)加载内存镜像，新内核自我更新，恢复先前的内核和进程状态。需要CONFIG_HIBERNATION的支持。

sys 接口

/sys/power/state (kernel/power/main.c)

• state_show: 对应的read函数。

• state_store：对应的write函数。

stat_show( )显示系统可用到睡眠模式，pm_states_init( ) 会初始化状态，其中S2I和 S2RAM是默认支持的，Standby 和 Hibernation 则需要进行检测硬件平台是否系统支持，不支持的话，就不会显示出来，显示值依次是：freeze,standby,mem,disk.

sys接口是功能的入口，从 stat_store( ) 里可以看到待机和休眠的入口函数分别是：

• pm_suspend(state)

• hibernate()

待机(SUSPEND)

入口：int pm_suspend(suspend_state_t state)，有效参数是：

• #define PM_SUSPEND_TO_IDLE ((__force suspend_state_t) 1)

• #define PM_SUSPEND_STANDBY ((__force suspend_state_t) 2)

• #define PM_SUSPEND_MEM ((__force suspend_state_t) 3)

待机可以分为3个阶段：

1: 准备阶段

主要是冻结应用程序和内核线程，外设进入睡眠状态。这个是公共部分，所有的suspend状态都要执行。

下图时一个基本的流程框架。

(suspend的流程框架图)

冻结程序

修改用户进程状态为 PF_FROZEN，使任务并进入__refrigerator( )里的一个循环，直到被唤醒——称之为 freeze。内核线程也是类似的情况，它进入另外的循环。freeze不是强制的，创建时可以配置为不可冻结。

冻结程序和内核线程的主要原因是：防止休眠时文件系统因为读写而损坏；防止驱动读写一个已经挂起的设备；等等(详见freezing-of-tasks.rst)。打开refrigerator( )里日志可以看到如下消息:

    Freezing user space processes ... systemd entered refrigeratorgdbus entered refrigeratoremacs entered refrigeratorbash entered refrigerator

当前系统所有的应用程序都被冻结了，系统唤醒后，各任务退出循环，继续运行。

设备待机

主要是在DPM(device power manager,base/power/main.c)模块的 dpm_suspend( )中实现，轮询 dpm设备list，依次调用 device_suspend(dev) 来 callback每个设备注册的suspend( ). 以pci设备为例：

    struct bus_type pci_bus_typs = { .pm        = PCI_PM_OPS_PTR,}struct dev_pm_ops pci_dev_pm_ops = {.suspend = pci_pm_suspend, ...}

因此，每个pci设备都是先callback pci_pm_suspend( )，在这个函数里再callback各个设备的 pm->suspend(dev) 。

dpm list是通过 device_add( ) --> device_pm_add( ) 来生成的，也就是添加设备时，进行检测，支持PM管理的设备会被放入 dmp list，当执行suspend时，轮询该列表依次callback各个设备注册的 suspend函数。

2: 进入待机

这个阶段主要时执行底层函数，进入待机状态，具体实现同CPU架构相关。

入口是 suspend_enter( )，先检测pm状态，如果是S2I，则走s2idle_loop( )，不需要待机。否则走 syscore_suspend( )，先轮询syscore_ops_list，执行每个对象的suspend( )， 最后，调用平台相关的suspend_ops->enter(state)，执行cpu模块的底层函数，写数据到bios后，系统由bios接管，进入待机状态。

syscore_ops_list 通过register_syscore_ops( )(drivers/base/syscore.c)来注册，一般在同cpu架构相关的代码里面。suspend_ops是通过suspend_set_ops( )来注册的，以龙芯mips为例：

suspend_set_ops(&loongson_pm_ops);
suspend_ops->enter -->loongson_pm_enter
-->mach_suspend: (arch/mips/loongson64/loongson-3/pm.c)-->保存一些寄存器
-->loongson_suspend_enter: (arch/mips/loongson64/loongson-3/sleep.S)写数据到bios后待机，系统在当前位置挂机，bios开始接管系统。

3: 恢复

待机后，系统就挂在当前的执行位置，当用户唤醒(按电源键或者键盘)系统时，bios先恢复CPU，然后CPU从当前位置开始唤醒系统，唤醒刚好是一个相反的过程，先从架构相关的底层开始，逐级唤醒系统，主要的代码流程是在 suspend_enter( )的后半段，也是从suspend_ops->enter( ) 开始，这个函数的退出，表示系统已开始唤醒，接着syscore_resume( ) -->... --> ahci_pci_device_resume ( ) ....；依次调用各模块的 resume( ) callback。

休眠(Hibernation)

入口是 hibernate( ) kernel/power/hibernate.c，主要的工作流程都在这个函数里面。

休眠的3种模式

cat /sys/power/disk 可以看到休眠支持的3种模式：

• 'platform'： 检测是否有平台支持(ACPI等)，进入平台的待机模式。

• 'shutdown'：关机。

• 'reboot'： 重启，功能测试用。

工作流程

• freeze_processes

• freeze_kernel_threads()

• dpm_suspend(PMSG_FREEZE)

• create_image(platform_mode)

• dpm_resume(msg)

• swsusp_write(flags)

• power_down( )

上面的函数流已经可以自解释了，先是冻结用户进程和内核线程，接着设备也进入待机，已防后面创建镜像时出现bug，镜像创建后，恢复设备，为关机做准备。最后的步骤是镜像写入交换分区，然后关机。

恢复的入口函数是：software_resume( )，加载内存镜像后，内核自我更新状态，恢复先前的状态。

ACPI

ACPI在睡眠框架里不是必选项，不是所有的架构都支持ACPI。它的入口是acpi_sleep_init( ) (drivers/acpi/sleep.c)，主要是3个初始化函数：

• acpi_sleep_syscore_init();

• acpi_sleep_suspend_setup();

• acpi_sleep_hibernate_setup();

分别注册对应级别的callback，当系统睡眠时，它会callback ACPI中相关的函数，与bios进行通讯，完成对应的睡眠功能。

参考资料

Documentation/admin-guide/pm/sleep-status.rst

Documentation/power/freezing-of-tasks.rst