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kernel/power 内核电源管理与休眠机制与原理详解

kernel/power 内核电源管理与休眠机制与原理详解

源码路径：rk3588/kernel-6.1/kernel/power/
内核版本：Linux 6.1（RK3588 平台）
平台：RK3588（4×Cortex-A76 + 4×Cortex-A55 big.LITTLE，ARM64）

该目录实现 Linux 系统级睡眠（System Sleep） 与 电源管理基础设施：Suspend-to-RAM（STR）、Suspend-to-Idle（S2Idle）、Hibernation（STD/swsusp）、进程冻结、PM QoS、Energy Model，以及 /sys/power 用户接口。设备运行时 PM（runtime suspend）的核心逻辑在 drivers/base/power/，但系统休眠路径通过 DPM（Device Power Management） 与本目录紧密协作。

定位：协调「整机睡眠/唤醒」的框架层；平台相关休眠入口由 arch/arm64/ 与 drivers/soc/rockchip/ 通过 suspend_set_ops() 注册。

目录

一、源码目录结构

1.1 编译依赖（Makefile）

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obj-y += qos.o

obj-$(CONFIG_PM)              += main.o
obj-$(CONFIG_FREEZER)         += process.o
obj-$(CONFIG_SUSPEND)         += suspend.o
obj-$(CONFIG_PM_TEST_SUSPEND)   += suspend_test.o
obj-$(CONFIG_HIBERNATION)     += hibernate.o snapshot.o swap.o
obj-$(CONFIG_HIBERNATION_SNAPSHOT_DEV) += user.o
obj-$(CONFIG_PM_AUTOSLEEP)    += autosleep.o
obj-$(CONFIG_PM_WAKELOCKS)    += wakelock.o
obj-$(CONFIG_ENERGY_MODEL)    += energy_model.o
obj-$(CONFIG_VT_CONSOLE_SLEEP) += console.o
obj-$(CONFIG_MAGIC_SYSRQ)     += poweroff.o
配置项 说明
CONFIG_PM 设备 PM 核心（本目录 main.c 部分功能）
CONFIG_PM_SLEEP 系统睡眠（依赖 SUSPEND 或 HIBERNATE_CALLBACKS）
CONFIG_SUSPEND Suspend-to-RAM / Standby / S2Idle
CONFIG_HIBERNATION 休眠到磁盘（swsusp）
CONFIG_FREEZER 睡眠前冻结用户态/内核线程
CONFIG_PM_AUTOSLEEP 无 wakeup source 时自动睡眠
CONFIG_PM_WAKELOCKS 用户态 wakelock 接口
CONFIG_ENERGY_MODEL DVFS 设备能耗模型（调度/thermal 用）
CONFIG_SUSPEND_FREEZER STR 前冻结进程（默认 y）

Kconfig 位于 kernel/power/Kconfig（由 arch/arm64/Kconfig source）。

1.2 源文件

文件 行数 功能
snapshot.c 2756 内存快照：PBE、页面备份/恢复、镜像读写
hibernate.c 1367 休眠流程编排、平台回调、resume 参数
swap.c 1619 快照镜像读写 swap 分区
main.c 940 PM 核心：sysfs、notifier、state 入口、统计
qos.c 678 PM QoS 约束聚合（latency、flags）
suspend.c 648 STR/S2Idle 状态机、platform ops
energy_model.c 438 CPU/GPU 等平台能耗表注册
user.c 466 uswsusp 用户态快照设备
wakelock.c 285 用户态 wakelock（Android 兼容）
process.c 235 睡眠前 freeze/thaw 进程
suspend_test.c 219 启动时 test_suspend 自检
console.c 152 VT 控制台 suspend/resume
autosleep.c 129 opportunistic sleep
poweroff.c 45 SysRq 关机辅助
power.h 328 内部 API、swsusp 结构

相关目录（目录外）：

路径 功能
drivers/base/power/ 设备 runtime PM、wakeup source、DPM
kernel/freezer.c 任务 refrigerator 机制
arch/arm64/kernel/suspend.c CPU 级 suspend/resume（cpu_suspend）
drivers/soc/rockchip/ RK 平台 suspend 模式、lite/ultra

二、整体架构

2.1 子系统分层

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用户空间
  echo mem > /sys/power/state
  /sys/power/autosleep, wakeup_count, mem_sleep
         │
         ▼
kernel/power/                    ← 本目录（系统睡眠框架）
  main.c    — sysfs、pm_notifier、pm_suspend 入口
  suspend.c — STR/S2Idle 流程
  hibernate.c + snapshot.c + swap.c — STD
  process.c — freezer
  qos.c / energy_model.c — 约束与能耗
         │
         ├── dpm_suspend_* / dpm_resume_*  → drivers/base/power/
         ├── syscore_suspend / syscore_resume
         └── suspend_ops->enter()            → 平台（Rockchip ATF/PSCI）
                    │
                    ▼
arch/arm64/kernel/suspend.c       — cpu_suspend / __cpu_suspend_enter
drivers/soc/rockchip/             — ROCKCHIP_SUSPEND_MODE 等

2.2 与 Runtime PM 的区别

维度 System Sleep（本目录） Runtime PM（drivers/base/power）
粒度 整机 单个 device
触发 /sys/power/state、autosleep pm_runtime_suspend()
进程 通常 freeze 全部用户进程 不 freeze
状态 PM_SUSPEND_MEM 等 runtime_status

两者通过 DPM 在系统休眠时统一 suspend 所有设备。

三、睡眠状态与术语

3.1 suspend_state_t

枚举 pm_labels（state） mem_sleep_labels 含义
PM_SUSPEND_TO_IDLE freeze s2idle 冻结进程+设备，CPU 进 idle
PM_SUSPEND_STANDBY standby shallow 浅睡（平台相关）
PM_SUSPEND_MEM mem deep 深睡 STR（内存保持）
PM_SUSPEND_MAX — — 写入 “disk” 触发 hibernate

RK 平台扩展（CONFIG_ROCKCHIP_LITE_ULTRA_SUSPEND）：

状态 mem_sleep 说明
PM_SUSPEND_MEM_LITE lite 电子书等场景的轻量 mem 睡眠
PM_SUSPEND_MEM_ULTRA ultra 更深度的 ultra 睡眠

写入 mem_sleep 时选择实际 mem_sleep_current；pm_suspend() 会将 lite/ultra 映射为 PM_SUSPEND_MEM 再进入平台代码。

3.2 全局变量

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suspend_state_t mem_sleep_current;      /* 当前 mem 睡眠深度 */
suspend_state_t pm_suspend_target_state;
struct mutex system_transition_mutex; /* 睡眠转换互斥 */

四、核心入口与 Sysfs（main.c）

4.1 /sys/power/ 主要属性

属性 读写 功能
state RW 写入 mem/freeze/disk 触发睡眠
mem_sleep RW 选择 s2idle/shallow/deep（及 lite/ultra）
sync_on_suspend RW 睡眠前是否 sync() 文件系统
wakeup_count RW 与 wakeup event 配合避免竞态
pm_async RW 设备异步 suspend/resume
pm_test RW 调试：在指定阶段停止（freezer/devices/platform…）
pm_print_times RW 打印各设备 suspend/resume 耗时
autosleep RW opportunistic sleep 目标状态
wake_lock / wake_unlock WO 用户态 wakelock（CONFIG_PM_WAKELOCKS）

4.2 state_store 流程

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state = decode_state(buf, n);   /* "mem" → PM_SUSPEND_MEM, "disk" → hibernate */
if (state == PM_SUSPEND_MEM)
    state = mem_sleep_current;
error = pm_suspend(state);      /* 或 hibernate() */

4.3 PM Notifier

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static BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(pm_chain_head);
register_pm_notifier() / pm_notifier_call_chain()

通知阶段包括 PM_SUSPEND_PREPARE、PM_POST_SUSPEND、PM_HIBERNATION_PREPARE 等，供子系统（如 CPUFreq）在睡眠前后调整状态。

4.4 lock_system_sleep()

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current->flags |= PF_NOFREEZE;
mutex_lock(&system_transition_mutex);

防止睡眠线程自身被 freezer 冻结；与 hibernation 的 snapshot 读写路径配合。

五、Suspend-to-RAM（suspend.c）

5.1 平台操作表

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static const struct platform_suspend_ops *suspend_ops;

void suspend_set_ops(const struct platform_suspend_ops *ops);

典型回调：

回调 时机
valid(state) 检查平台是否支持该睡眠状态
prepare() 设备 suspend 之前
prepare_late() dpm_suspend_late 前后
enter(state) 关中断、停从核、进硬件睡眠
wake() 唤醒后早期处理

S2Idle 另有 platform_s2idle_ops（prepare/check/wake）。

5.2 enter_state() — 顶层流程

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mutex_trylock(system_transition_mutex)
sync_on_suspend → ksys_sync_helper()（可选）
suspend_prepare(state)
  ├── pm_notifier PM_SUSPEND_PREPARE
  ├── suspend_freeze_processes()     ← process.c
  ├── dpm_suspend_start(PMSG_SUSPEND)
  └── platform prepare
suspend_devices_and_enter(state)
suspend_finish()
  ├── thaw_processes()
  └── pm_notifier PM_POST_SUSPEND
mutex_unlock(system_transition_mutex)

5.3 suspend_devices_and_enter()

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suspend_console()
dpm_suspend_start(PMSG_SUSPEND)      /* 设备 early suspend */
suspend_enter(state)
  ├── dpm_suspend_late()
  ├── dpm_suspend_noirq()
  ├── [S2Idle] s2idle_loop()
  ├── [STR] pm_sleep_disable_secondary_cpus()
  │         syscore_suspend()
  │         suspend_ops->enter(state)   ← 平台进睡眠
  │         syscore_resume()
  │         pm_sleep_enable_secondary_cpus()
  └── dpm_resume_noirq / early / finish
dpm_resume_end(PMSG_RESUME)
resume_console()

5.4 Suspend-to-Idle（S2Idle）

不调用 suspend_ops->enter()，而是：

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s2idle_loop():
  wake_up_all_idle_cpus()   /* 所有 CPU 进 idle */
  swait_event(s2idle_wait_head)  /* 等待 wakeup */

等价于：冻结进程 + 设备 suspend + CPU idle，功耗低于运行态但通常高于 STR。

5.5 suspend 统计

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struct suspend_stats suspend_stats;  /* success/fail、failed_dev、errno、step */

可通过 debugfs suspend_stats 或 sysfs suspend_stats/ 查看。

六、进程冻结（process.c）

睡眠前须冻结用户态与可冻结内核线程，防止持有锁或 DMA 的进程在设备已 suspend 后继续运行。

6.1 freeze_processes()

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__usermodehelper_disable(UMH_FREEZING)
current->flags |= PF_SUSPEND_TASK
pm_freezing = true
try_to_freeze_tasks(user_only=true)   /* 对每个 task freeze_task() */
oom_killer_disable()

6.2 freeze_kernel_threads()

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pm_nosig_freezing = true
try_to_freeze_tasks(user_only=false)  /* 含 workqueue */

6.3 thaw_processes()

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oom_killer_enable()
thaw_workqueues()
__thaw_task() 对所有进程
usermodehelper_enable()

超时默认 freeze_timeout_msecs = 20s；失败时打印 refusing-to-freeze 任务栈。

七、Hibernation 休眠到磁盘（hibernate.c / snapshot.c / swap.c）

7.1 原理（swsusp）

  1. 冻结进程、quiesce 设备
  2. snapshot.c：将内存页写入 PBE（Page Backup Entry） 链表，生成连续镜像
  3. swap.c：镜像压缩（LZO 等）写入 swap 分区
  4. 关机或重启
  5. 下次启动带 resume=/dev/swap：从 swap 读镜像、snapshot 恢复内存、跳回原内核上下文

7.2 关键结构（power.h）

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struct swsusp_info {
    struct new_utsname uts;
    u32 version_code;
    unsigned long num_physpages;
    int cpus;
    unsigned long image_pages;
    ...
};

struct snapshot_handle {
    unsigned int cur;
    void *buffer;
    int sync_read;
};

镜像通过 snapshot_read_next() / snapshot_write_next() 以 PAGE_SIZE 块流式读写。

7.3 hibernation_snapshot() 概要

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platform_begin()
dpm_suspend_start(PMSG_FREEZE)
create_basic_memory_bitmaps()
swsusp_alloc() / swsusp_save()        ← snapshot.c，保存 CPU/内存状态
swsusp_write(flags)                   ← swap.c，写 swap
platform_finish()

7.4 恢复路径

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swsusp_check() — 检测 swap 上有效镜像
swsusp_read() — 读入镜像
restore_highmem() / resume_target_kernel()
arch 相关：swsusp_arch_resume、enable_restore_image_protection

7.5 平台模式

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enum { HIBERNATION_PLATFORM, HIBERNATION_SHUTDOWN, HIBERNATION_REBOOT, ... };
hibernation_set_ops(platform_hibernation_ops);

ARM64 支持 ARCH_HIBERNATION_POSSIBLE + ARCH_HIBERNATION_HEADER。

八、PM QoS（qos.c）

Quality of Service 约束框架：多个请求者注册 latency/flags 需求，内核聚合为 target_value。

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int pm_qos_update_target(struct pm_qos_constraints *c,
                         struct plist_node *node,
                         enum pm_qos_req_action action, int value);
聚合类型 规则
PM_QOS_MIN 取 plist 最小值（最严格 latency 要求）
PM_QOS_MAX 取最大值

变更时通过 blocking_notifier_call_chain(c->notifiers) 通知 CPUIdle/CPUFreq 等子系统。

常见约束：CPU latency QoS、freq QoS、device PM QoS flags（dev_pm_qos_* 在 drivers/base/power）。

九、Energy Model（energy_model.c）

为 DVFS 设备（主要是 CPU）注册 性能状态 → 功耗/成本 表，供调度器（EAS）、thermal 使用。

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struct em_perf_domain {
    struct em_perf_state *table;  /* frequency, power, cost */
    unsigned int nr_perf_states;
    struct cpumask *cpus;
};

驱动通过 em_dev_register_perf_domain() 注册；debugfs 位于 /sys/kernel/debug/energy_model/。

RK3588 big.LITTLE 场景下，A76/A55 各 cluster 可注册独立 perf domain，调度器据此做能效感知选核。

十、Autosleep 与 Wakelock

10.1 autosleep.c

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/* /sys/power/autosleep 写入 "mem" 后 */
try_to_suspend(work):
  pm_save_wakeup_count()
  pm_suspend(autosleep_state) 或 hibernate()
  queue_up_suspend_work()      /* 循环尝试 */

仅当 无 active wakeup source 时进入睡眠；与 Android 式 power manager 类似。

10.2 wakelock.c

用户态通过 /sys/power/wake_lock、wake_unlock 创建 wakeup_source：

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struct wakelock {
    struct rb_node node;
    struct wakeup_source *ws;
};

__pm_stay_awake() / __pm_relax() 阻止 autosleep；可选 GC（PM_WAKELOCKS_GC）回收长期未用 wakelock。

十一、辅助组件

文件 功能
console.c VT 控制台在睡眠前后 save/restore
user.c /dev/snapshot 字符设备，uswsusp 用户态休眠
suspend_test.c 内核参数 test_suspend=mem 启动时自动测 suspend
poweroff.c Magic SysRq 触发 orderly poweroff
tracking.c 记录已卸载 taint 模块（debugfs）

十二、RK3588/ARM64 平台说明

12.1 ARM64 架构支持

配置 值 说明
ARCH_SUSPEND_POSSIBLE y 支持 STR
ARCH_HIBERNATION_POSSIBLE y 依赖 CPU_PM
ARCH_HIBERNATION_HEADER y 休眠镜像含 arch 头
CPU_PM select if SUSPEND CPU 电源管理

arch/arm64/kernel/suspend.c 提供 cpu_suspend()：

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int cpu_suspend(unsigned long arg, int (*fn)(unsigned long))
{
    /* 保存 GPR、FP、debug、MMU 等到 sleep_stack_data */
    if (__cpu_suspend_enter(&state))
        ret = fn(arg);           /* 平台 finisher，通常不再返回 */
    else
        __cpu_suspend_exit();    /* 唤醒恢复路径 */
}

12.2 Rockchip 平台扩展

配置 说明
ROCKCHIP_SUSPEND_MODE 通过 ATF 配置 suspend 模式
ROCKCHIP_LITE_ULTRA_SUSPEND mem_sleep 增加 lite/ultra（电子书等）
ROCKCHIP_SUSPEND_DEBUG suspend 调试
ROCKCHIP_SYSTEM_MONITOR 系统 monitor、early suspend

平台驱动在 init 时调用 suspend_set_ops(&rockchip_suspend_ops)，.enter() 最终通过 PSCI SYSTEM_SUSPEND 或 Rockchip ATF 进入硬件低功耗。

12.3 RK3588 常用操作

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# 查看可用睡眠状态
cat /sys/power/state          # freeze mem disk

# 选择 deep sleep 深度
cat /sys/power/mem_sleep      # [s2idle] shallow deep (lite ultra)

# 进入 STR
echo mem > /sys/power/state

# S2Idle（仅 freeze，不进硬件 deep sleep）
echo freeze > /sys/power/state

# 唤醒源计数（避免睡眠竞态）
read /sys/power/wakeup_count
echo mem > /sys/power/state

12.4 big.LITTLE 注意点

  • STR 时 非 boot CPU 离线，boot CPU 在 suspend_ops->enter() 中最后进入 WFI/平台睡眠
  • 唤醒后 secondary CPU 重新 online；cpuidle 在 pm_sleep_disable/enable_secondary_cpus() 中 pause/resume
  • Energy Model 与 EAS 调度器配合，影响 睡眠前选核 与 唤醒后负载迁移（逻辑在 kernel/sched/ 与 drivers/cpufreq/）

十三、完整 Suspend 时序

platform/ATFdrivers/base/powerprocess.csuspend.cmain.c用户空间platform/ATFdrivers/base/powerprocess.csuspend.cmain.c用户空间CPU WFI / PSCI suspendecho mem > /sys/power/statepm_suspend(PM_SUSPEND_MEM)enter_state()suspend_freeze_processes()dpm_suspend_start()suspend_devices_and_enter()dpm_suspend_late/noirq()suspend_ops->enter()唤醒中断dpm_resume_*suspend_thaw_processes()返回用户空间

十四、总结

组件 职责
main.c /sys/power 接口、PM notifier、睡眠入口协调
suspend.c STR/S2Idle 状态机、DPM 与 platform ops 编排
process.c 睡眠前 freezer
hibernate.c + snapshot.c + swap.c 休眠到磁盘完整实现
qos.c PM QoS 约束聚合
energy_model.c DVFS 能耗表（EAS/thermal）
autosleep.c / wakelock.c opportunistic sleep 与 Android 式唤醒锁

kernel/power/ 是 Linux 系统级电源管理 的中枢；RK3588 实际进深睡依赖 Rockchip 平台驱动与 ATF/PSCI，本目录提供标准流程与 sysfs 接口。设备级 runtime PM 请结合 drivers/base/power/ 与具体驱动 dev_pm_ops 一并理解。

附录：源文件清单

文件 行数
kernel/power/snapshot.c 2756
kernel/power/hibernate.c 1367
kernel/power/swap.c 1619
kernel/power/main.c 940
kernel/power/qos.c 678
kernel/power/suspend.c 648
kernel/power/energy_model.c 438
kernel/power/user.c 466
kernel/power/wakelock.c 285
kernel/power/process.c 235
kernel/power/suspend_test.c 219
kernel/power/console.c 152
kernel/power/autosleep.c 129
kernel/power/poweroff.c 45
kernel/power/power.h 328
kernel/power/Kconfig 354
kernel/power/Makefile 24
合计 ~10305

关联源码（目录外）：

文件 说明
drivers/base/power/main.c 设备 PM 核心
kernel/freezer.c 任务 refrigerator
arch/arm64/kernel/suspend.c CPU suspend 汇编入口
drivers/soc/rockchip/ RK3588 平台 suspend 配置

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