inux电源管理-Linux regulator framework概述

Posted 2022-01-06 bobuddy

前言

1. 什么是regulator?

regulator翻译为"调节器"，分为voltage regulator(电压调节器)和current(电流调节器)。一般电源管理芯片(Power Management IC)中会包含一个甚至多个regulator。

2. regulator有什么作用?

通常的作用是给电子设备供电。大多数regulator可以启用(enable)和禁用(disable)其输出，同时也可以控制其输出电压(voltage)和电流(current)。

 

从上图可以看出，input power会经过 regulator 转化为output power，regulator会做如下的约束:

- Voltage control: 输入5V输出1.8V

- Current limiting: 电流的输出最大为20MA

- Power switch: 可以控制电压enable/disable

问题

1. 如果一个系统只有一个regulator，而且只对一个设备控制的话，完全没必要使用linux regulator framework机制。但是如果一个系统几个甚至十几个regulator，每个regulator之间还存在级连关系，这时候就需要Linux regulator framework。

2. 如果一个regulator控制多个设备，而每个设备的电压或电流需求方式不同，linux regulator framework会怎么管理这些设备？

3. 有些设备只需要enable/disable电源即可，而有些设备在运行的过程中需要动态的改变voltage或者current，Linux regulator Framework会如何处理这些问题？

4. regulator的错误配置可能也会对硬件有非常严重的后果，所以需要小心设计regulaor，同时也要规范的使用regulator。

Linux Regulator Framework

1. Linux Regulator Framework设计出主要是提供一个标准的内核接口来控制电压和电流调节器。目的是允许系统动态控制regulator power输出以节省能源延长电池寿命。这适用于voltage regulator和current regulator(其中电压和电流都是可控的)。

2. Linux Regulator Framework分为四个部分，分别是machine，regulator，consumer，sys-class-regulator。

machine

machine可以理解为regulator在板级的硬件配置，使用regulator_init_data结构体代表regulator板级的配置。

struct regulator_init_data 
	const char *supply_regulator;        /* or NULL for system supply */

	struct regulation_constraints constraints;

	int num_consumer_supplies;
	struct regulator_consumer_supply *consumer_supplies;

	/* optional regulator machine specific init */
	int (*regulator_init)(void *driver_data);
	void *driver_data;	/* core does not touch this */
;

.supply_regulator: regulator的parent。用于级联regulator使用。

.constraints: 此regulator的约束，比如输出电压范围，输出电流范围等。

.num_consumer_supplies: 此regulator提供的consumer的个数，也就是控制外设的个数。

.consumer_supplies: 使用此结构确定regulator和consumer之间的联系。

.regulator_init: regulator注册时候的回调函数。

.driver_data: regulator_init回调函数的参数。

而regulator板级的配置，也可以称为约束，定义在regulation_constraints结构中。

struct regulation_constraints 

	const char *name;

	/* voltage output range (inclusive) - for voltage control */
	int min_uV;
	int max_uV;

	int uV_offset;

	/* current output range (inclusive) - for current control */
	int min_uA;
	int max_uA;

	/* valid regulator operating modes for this machine */
	unsigned int valid_modes_mask;

	/* valid operations for regulator on this machine */
	unsigned int valid_ops_mask;

	/* regulator input voltage - only if supply is another regulator */
	int input_uV;

	/* regulator suspend states for global PMIC STANDBY/HIBERNATE */
	struct regulator_state state_disk;
	struct regulator_state state_mem;
	struct regulator_state state_standby;
	suspend_state_t initial_state; /* suspend state to set at init */

	/* mode to set on startup */
	unsigned int initial_mode;

	unsigned int ramp_delay;
	unsigned int enable_time;

	/* constraint flags */
	unsigned always_on:1;	/* regulator never off when system is on */
	unsigned boot_on:1;	/* bootloader/firmware enabled regulator */
	unsigned apply_uV:1;	/* apply uV constraint if min == max */
	unsigned ramp_disable:1; /* disable ramp delay */
;

.name: 描述该约束的名字。

.min_uV/max_uV: 最小/最大的输出电压。

.uV_offset: consumer看到的电源和实际电源之间的偏移值，用于电源补偿。

.min_uA/max_uA: 最小/最大的输出电流。

.valid_modes_mask: 该regulator支持的操作模式。

#define REGULATOR_MODE_FAST 0x1 //快速改变模式 #define REGULATOR_MODE_NORMAL 0x2 //正常模式，大多数驱动都使用这种模式 #define REGULATOR_MODE_IDLE 0x4 //设备在idle状态，regulator给设备提供服务 #define REGULATOR_MODE_STANDBY 0x8 //设备在standby状态，regulator给设备提供服务

.valid_ops_mask: 该regulator支持的操作。

#define REGULATOR_CHANGE_VOLTAGE 0x1 //该regulator可以改变电压 #define REGULATOR_CHANGE_CURRENT 0x2 //该regulator可以改变电流 #define REGULATOR_CHANGE_MODE 0x4 //该regulator可以改变mode #define REGULATOR_CHANGE_STATUS 0x8 //该regulator可以改变状态，也就是enable/disable power #define REGULATOR_CHANGE_DRMS 0x10 //该regulator可以动态该变mode #define REGULATOR_CHANGE_BYPASS 0x20 //该regulator支持bypass mode .input_uV: 表示该regulator的input是另一个regulator。

.state_disk/state_mem/state_standby: 代表该regulator的各种suspend状态。

.always_on: 是否在系统启动后一直使能。

.boot_on: 是否在boot阶段使能。 .apply_uV: 当min_uV=max_uV的时候时使用。

.ramp_delay: 改变电压到电源稳定后时间。因为硬件原因，改变电源后不能立刻就成功，其中需要有一定的延迟。

.enable_time: regulator的使能时间。

举例说明:参考内核中s5pv210-goni.dts片段

buck3_reg: BUCK3 
    regulator-name = "VCC_1.8V";
    regulator-min-microvolt = <1800000>;
    regulator-max-microvolt = <1800000>;
    regulator-always-on;
    regulator-boot-on;
;

regulator-name对应struct regulation_constraints中的name

regulator-min-microvolt对应struct regulation_constraints中的min_uV

regulator-max-microvolt对应struct regulation_constraints中的max_uV

regulator-always-on对应struct regulation_constraints中的always_on

regulator-boot-on对应struct regulation_constraints中的boot_on

regulator

regulator可以理解为regulator driver。主要作用有注册自己的regulator服务到regulator core framework中，给consumer提供服务。regulator driver通过regulator_register函数注册regulator operation到regulator core。其中第一个参数struct regulator_desc代表静态的regulator配置，所谓静态就是不再会改变的配置。第二个参数代表regulator的动态配置信息。

struct regulator_desc 
	const char *name;
	const char *supply_name;
	const char *of_match;
	const char *regulators_node;
	int id;
	bool continuous_voltage_range;
	unsigned n_voltages;
	const struct regulator_ops *ops;
	int irq;
	enum regulator_type type;
	struct module *owner;

	unsigned int min_uV;
	unsigned int uV_step;
	unsigned int linear_min_sel;
	int fixed_uV;
	unsigned int ramp_delay;

	const struct regulator_linear_range *linear_ranges;
	int n_linear_ranges;

	const unsigned int *volt_table;

	unsigned int vsel_reg;
	unsigned int vsel_mask;
	unsigned int apply_reg;
	unsigned int apply_bit;
	unsigned int enable_reg;
	unsigned int enable_mask;
	unsigned int enable_val;
	unsigned int disable_val;
	bool enable_is_inverted;
	unsigned int bypass_reg;
	unsigned int bypass_mask;
	unsigned int bypass_val_on;
	unsigned int bypass_val_off;

	unsigned int enable_time;

	unsigned int off_on_delay;
;

.name: 该regulator的名字。

.supply_name: 该regulator parent的name，在级联时使用。

.of_match: 在dt中指定的name。

.regulators_node: 定义在dt中的regulator name.

.id: 用于标识该regulator，也可以标识系统有多少个regulator.

.continuous_voltage_range: 表示regulator是否可以在电压约束范围内连续输出电压。

.n_voltages: 通过ops.list_voltage函数获取可用的电压数量。

.ops: regulator的操作函数集合。

.irq: 该regulator的中断号。

.type: 代表当前regulator的类型。

.min_uV: 如果是线性mapp的话，使用最低的selector获取的电压。

.uV_step: 每个selector下电压增加step。

.linear_min_sel: 线性mapp下最小的selector。

.fixed_uV: 固定电压。

.ramp_delay: 电压改变之后需要多久时间稳定下来。

.linear_rangs: 电压的可能范围的常数表。

.n_linear_rangs: 电压范围常数表的个数。

.volt_table: 电压的mapp表。

.enable_time: regulator初始化所需要的时间。

.off_on_delay: 重新使能regulator的保护时间。

其中struct regulator_ops代表了regulator提供的函数操作集合。

struct regulator_ops 

	/* enumerate supported voltages */
	int (*list_voltage) (struct regulator_dev *, unsigned selector);

	/* get/set regulator voltage */
	int (*set_voltage) (struct regulator_dev *, int min_uV, int max_uV,
			    unsigned *selector);
	int (*map_voltage)(struct regulator_dev *, int min_uV, int max_uV);
	int (*set_voltage_sel) (struct regulator_dev *, unsigned selector);
	int (*get_voltage) (struct regulator_dev *);
	int (*get_voltage_sel) (struct regulator_dev *);

	/* get/set regulator current  */
	int (*set_current_limit) (struct regulator_dev *,
				 int min_uA, int max_uA);
	int (*get_current_limit) (struct regulator_dev *);

	/* enable/disable regulator */
	int (*enable) (struct regulator_dev *);
	int (*disable) (struct regulator_dev *);
	int (*is_enabled) (struct regulator_dev *);

	/* get/set regulator operating mode (defined in consumer.h) */
	int (*set_mode) (struct regulator_dev *, unsigned int mode);
	unsigned int (*get_mode) (struct regulator_dev *);

	/* Time taken to enable or set voltage on the regulator */
	int (*enable_time) (struct regulator_dev *);
	int (*set_ramp_delay) (struct regulator_dev *, int ramp_delay);
	int (*set_voltage_time_sel) (struct regulator_dev *,
				     unsigned int old_selector,
				     unsigned int new_selector);

	/* report regulator status ... most other accessors report
	 * control inputs, this reports results of combining inputs
	 * from Linux (and other sources) with the actual load.
	 * returns REGULATOR_STATUS_* or negative errno.
	 */
	int (*get_status)(struct regulator_dev *);

	/* get most efficient regulator operating mode for load */
	unsigned int (*get_optimum_mode) (struct regulator_dev *, int input_uV,
					  int output_uV, int load_uA);

	/* control and report on bypass mode */
	int (*set_bypass)(struct regulator_dev *dev, bool enable);
	int (*get_bypass)(struct regulator_dev *dev, bool *enable);

	/* the operations below are for configuration of regulator state when
	 * its parent PMIC enters a global STANDBY/HIBERNATE state */

	/* set regulator suspend voltage */
	int (*set_suspend_voltage) (struct regulator_dev *, int uV);

	/* enable/disable regulator in suspend state */
	int (*set_suspend_enable) (struct regulator_dev *);
	int (*set_suspend_disable) (struct regulator_dev *);

	/* set regulator suspend operating mode (defined in consumer.h) */
	int (*set_suspend_mode) (struct regulator_dev *, unsigned int mode);
;

此结构体的注释写的非常清楚，这里就不做详细的解释。

struct regulator_config代表regulator的动态配置信息。此结构体如下:

struct regulator_config 
	struct device *dev;
	const struct regulator_init_data *init_data;
	void *driver_data;
	struct device_node *of_node;
	struct regmap *regmap;

	int ena_gpio;
	unsigned int ena_gpio_invert:1;
	unsigned int ena_gpio_flags;
;

.dev: struct device指针。

.init_data: 板级的相关初始化信息，通过解析DT，保存在此。

.dirver_data: 私有数据。

.of_node: dt相关的node。

.regmap: regulator register map。

当调用regulator_register函数之后，传入静态和动态参数之后，就会返回一个regulator_dev结构。此结构可以认为是regulator设备的一个抽象描述。

struct regulator_dev 
	const struct regulator_desc *desc;
	int exclusive;
	u32 use_count;
	u32 open_count;
	u32 bypass_count;

	/* lists we belong to */
	struct list_head list; /* list of all regulators */

	/* lists we own */
	struct list_head consumer_list; /* consumers we supply */

	struct blocking_notifier_head notifier;
	struct mutex mutex; /* consumer lock */
	struct module *owner;
	struct device dev;
	struct regulation_constraints *constraints;
	struct regulator *supply;	/* for tree */
	struct regmap *regmap;

	struct delayed_work disable_work;
	int deferred_disables;

	void *reg_data;		/* regulator_dev data */

	struct dentry *debugfs;

	struct regulator_enable_gpio *ena_pin;
	unsigned int ena_gpio_state:1;

	/* time when this regulator was disabled last time */
	unsigned long last_off_jiffy;
;

.list: 所有的regulator链表。

.consumer: 此regulator下所有的consumer。

.notifier: 此regulator的通知链，用于给consumer通知event。

.supply: 该regulator的supply，级联时候使用。

.disable_work: 该regulator的延迟工作，用于延迟disable regulator。

.use_count/open_count:代表该regulator的使用计数。

.exclusive: 该regulator是否是唯一的标志。

consumer

consumer可以理解为regulator提供服务的对象。比如LCD使用regulator管理自己，就必须使用regulator core提供的regulator相关接口函数。regulator_get()/regulator_put()函数。

详细可以看Documentation/power/regulator/consumer.txt文档。

sysfs-class-regulator

regulator core framework通过sysfs文件系统导出了一些"voltage/current/opmode"相关的信息，此将很有帮忙监控设备的功耗使用情况。

详细信息可以看Documentation/ABI/testing/sysfs-class-regulator文档。

常见的API

regulator consumer interface

获取regulator/释放regulator

regulator = regulator_get(dev, "Vcc");
regulator_put(regulator);

Enable and disable

int regulator_enable(regulator);
int regulator_disable(regulator);
int regulator_force_disable(regulator);

设置regulator的电压，获得regulator的电压状态

int regulator_set_voltage(regulator, min_uV, max_uV);
int regulator_get_voltage(regulator);

设置regulator的电流，获得regulator的电流状态

int regulator_set_current_limit(regulator, min_uA, max_uA);
int regulator_get_current_limit(regulator);

regulator的模式设置，间接(通过负载)，直接设置

int regulator_set_optimum_mode(struct regulator *regulator, int load_uA);
int regulator_set_mode(struct regulator *regulator, unsigned int mode);
unsigned int regulator_get_mode(struct regulator *regulator);

Regulator Driver interface

注册/反注册一个regulator

struct regulator_dev *regulator_register(struct regulator_desc *regulator_desc,
					 const struct regulator_config *config);
void regulator_unregister(struct regulator_dev *rdev);

regulator事件通知

int regulator_notifier_call_chain(struct regulator_dev *rdev,
				  unsigned long event, void *data);

本小节就先到这里，下节通过一个实际的例子对regulator再有一个更深的认识。