임베디드 리눅스 - 전원 관리

하드웨어와 전원 관리

일반적으로 LCD 디스플레이 유닛이 시스템 내에서 가장 많은 전력을 소비하고, 그 다음으로는 프로세서, 그 다음으로는 사운드 카드, 메모리, 네트워크 카드 순으로 전력을 많이 소비한다. 이러한 장치들은 디바이스 드라이버는 전원 관리 기능을 고려하여 작성되어야 한다.

그 중에서 가장 중요한 CPU 전원 관리는 다음과 같은 사실들을 기초로 한다.

• 프로세서의 전력 소비는 클록 주파수에 직접적으로 비례한다.
• 프로세서의 전련 소비는 전압의 제곱에 직접적으로 비례한다.

최신의 임베디드용 프로세서들은 이 점을 고려하여 동적 주파수 조정(dynamic frequency scaling)과 동적 전압 조정(dynamic voltage scaling)이라는 두 가지 기능을 제공한다.

CPU가 제공하는 이러한 기능들은 일반적으로 OS가 시스템 부하에 따라 모드를 변경하도록 사용된다.

• 아이들(idle) 모드
• 여러 프로세서 클록들이 중지된 상태(주변 장치에 대한 클록은 살아 있음).
• 임베디드 시스템은 보통 이벤트 기반의 시스템으로 구현되므로 프로세서는 대부분의 시간을 사용자나 외부 세계로부터 이벤트가 발생하기를 기다리는 데 소모한다. 프로세서가 사용자로부터 이벤트가 발생하기를 기다리며 아이들(idle) 모드에 있는 동안은 타이머 인터럽트 처리와 같은 시스템에 필요한 최소한의 태스크만이 동작하게 될 것이다.
• 슬립(sleep) 모드
• CPU와 대부분의 주변 장치에 대한 전원이 꺼진 상태
• 최저의 전력을 소비하는 모드

운영체제는 전원 관리 프레임워크에서 매우 중요한 역할을 담당하며, 다음과 같은 기능을 수행한다.

• 프로세서가 아이들 모드나 슬립 모드와 같은 여러 모드로 동작하도록 결정한다.
• 시스템 부하에 따라 동적으로 주파수와 전압을 변경할 수 있는 기능을 제공해야 한다.
• 여러 디바이스 드라이버에서 주변 장치의 절전 모드를 사용할 수 있도록 하는 드라이버 프레임워커를 제공해야 한다.
• 특정 응용 프로그램에게 전원 관리 프레임워크를 제공해야 한다. 이 과정은 매우 중요한데, 각 임베디드 장치의 전원 요구사항은 각기 다르기 때문에 다양한 임베디드 장치에 적합한 전원 관리 정책을 OS 내에 구현하는 것은 매우 힘들다. 대신 OS는 단지 이러한 프레임워크를 구성해 주고, 응용 프로그램에서 전원 관리 정책을 구현하여, 각 장치에 맞도록 이 프레임워크를 설정할 수 있도록 하였다.

전원 관리 표준

리눅스가 지원하는 전원 관리 표준은 APM과 ACPI의 두 가지이다. 이 두 표준 모드 x86 아키텍처를 기반으로 하고 있다.

• APM
• 전원 관리에 관한 작업을 주로 BIOS에 의존하여 처리
• BIOS에서 전원 관리 기능을 제어하는 방법에는 많은 단점이 존재
• BIOS는 시스템의 부하를 키보드와 같은 IO 장치의 부하를 통해 판단하기 때문에, 시스템이 거대한 프로그램을 컴파일하는 경우와 같이 계산 위주의 작업들을 수행하는 중에도 키보드나 마우스 같은 장치를 사용하지 않고 있으면 시스템을 저전력 모드로 들어가게 하는 경우가 발생한다.
• BIOS는 시스템의 부하를 오직 마더보드상에 존재하는 장치들을 통해서만 판단한다. 따라서 USB 버스에 연결된 장치의 경우 마더보드에 직접 연결되지 않았으므로 전원 관리 시스템과 연계되지 못한다.
• APM은 BIOS에 의존적이며 각각의 BIOS는 고유한 제한사항 및 인터페이스(그리고 버그)들을 갖고 있으며 이 모든 것에 맞추기는 매우 힘들다.
• ACPI
• 대부분 전원 관리 작업을 OS에서 처리
• BIOS에 의존하는 부분이 있지만 APM에 비해 그 정도가 매우 작다.
• AML(ACPI Machine Language)이라는 인터프리터 언어를 통해 OS는 장치에 대한 세부적인 지식이 없어도 장치의 전원 관리를 적절히 수행

프로세서의 절전 모드 지원

전원 관리와 관련하여 리눅스 커널 내에서 가장 먼저 수행되는 일 중의 하나는 아이들 루프 내에서 프로세서를 아이들 모드로 전환하도록 하는 일이다.

전원 관리 표준의 사용은 x86 외의 플랫폼에서도 이용할 수 있는 인터페이스의 집합을 제공하며, 따라서 전원 관리용 응용 프로그램을 직접 이용할 수 있다. x86 외의 플랫폼에서 선택된 방법은 리눅스 커널을 수정하여 x86 BIOS에서 수행하는 작업들을 커널과 부트로더에서 제공하고, 이를 통해 APM/ACPI 형식의 인터페이스를 사용자 공간에 제공하는 것이다.

2.6 커널은 주파수 조정을 위한 통합 프레임워크를 제공한다. 이 프레임워크는 주파수 조정 기능을 지원하는 아키텍처상에서 동적으로 주파수를 변경하는 방법을 제공한다. 하지만 커널에서는 전원 관리에 대한 정책을 제공하지 않고, 이를 응용 프로그램에 넘겨 응용 프로그램이 프레임워크를 이용하여 주파수를 관리하도록 한다. 이것은 주파수 조정 정책이 시스템의 용도에 따라 달라지기 때문이다. 이를 위한 일반적인 솔루션은 구현하기가 불가능하며, 따라서 전원 관리 정책의 구현은 사용자 공간의 응용 프로그램이나 데몬(daemon)이 담당한다.

전원 관리를 위한 통합 드라이버 프레임워크

디바이스 드라이버는 전원 관리 소프트웨어의 중심을 이룬다. 디바이스 드라이버와 커널 내의 실제 전원 관리 소프트웨어를 분리해 놓았으며, 디바이스 드라이버는 전원 관리 기능을 사용하기 위해 자신을 커널을 등록해야 한다. 만약 디바이스 드라이버가 전원 관리 기능을 이용한다면, 장치가 동작하지 않을 때는 아무런 작업도 이루어지지 않도록 보장해야 한다.

전원 관리를 디바이스 드라이버 단에서 처리하도록 구현하는 데 있어 중요한 사항은 순서에 대한 문제이다. 어떤 장치가 다른 장치에 종속적으로 동작하는 경우에는 두 장치는 반드시 적절한 순서대로 전원 관리가 이루어져야 한다.

전원 관리 응용 프로그램

• apmd 데몬
• APM
• /proc/apm 파일을 통해 리눅스 커널이 APM을 지원하는지 검사
• http://alumnit.ca/~apenwarr/apmd/
• acpid 데몬
• ACPI
• /proc/acpi/event 파일을 감시하여 전원 관리에 관련된 이벤트가 발생할 경우 이를 처리하기 위한 프로그램을 실행
• http://acpid.sf.net

※ 출처 : ITC "임베디드 리눅스 시스템 설계와 개발"