Linux Kernel suspend and resume

Posted 2022-08-22 zhangshenghui

一、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, 顺序是按照注册顺序
   3) 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.

二、Linux Suspend 的流程
1. 相关代码

     • kernel/kernel/power/main.c
     • kernel/arch/arm/mach-xxx/pm.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:
     用户对于/sys/power/state 的读写会调用到 kernel/kernel/power/main.c中的state_store()， 用户可以写入 const char * const pm_states[] 中定义的字符串， 比如"mem", "standby"。

在kernel/kernel/power/suspend.c中：

const char *const pm_states[PM_SUSPEND_MAX] =
#ifdef CONFIG_EARLYSUSPEND
 [PM_SUSPEND_ON]  = "on",
#endif
 [PM_SUSPEND_STANDBY] = "standby",
 [PM_SUSPEND_MEM] = "mem",
;
      常见有standby(Power-On suspend)、mem(suspend to RAM)和disk(suspend to disk)，只是standby耗电更多，返回到正常工作状态的时间更短。     

     然后state_store()会调用enter_state()<注：这是经典Linux调用流程， 在android系统中，Kernel将调用request_suspend_state，而不是enter_state>，它首先会检查一些状态参数，然后同步文件系统。

/**
 *	enter_state - Do common work of entering low-power state.
 *	@state:		pm_state structure for state we‘re entering.
 *
 *	Make sure we‘re the only ones trying to enter a sleep state. Fail
 *	if someone has beat us to it, since we don‘t want anything weird to
 *	happen when we wake up.
 *	Then, do the setup for suspend, enter the state, and cleaup (after
 *	we‘ve woken up).
 */
int enter_state(suspend_state_t state)

	int error;

	if (!valid_state(state))
		return -ENODEV;

	if (!mutex_trylock(&pm_mutex))
		return -EBUSY;

#ifdef CONFIG_SUSPEND_SYNC_WORKQUEUE
	suspend_sys_sync_queue();
#else
	printk(KERN_INFO "PM: Syncing filesystems ... ");
	sys_sync();
	printk("done.\n");
#endif

	pr_debug("PM: Preparing system for %s sleep\n", pm_states[state]);
	error = suspend_prepare();
	if (error)
		goto Unlock;

	if (suspend_test(TEST_FREEZER))
		goto Finish;

	pr_debug("PM: Entering %s sleep\n", pm_states[state]);
	pm_restrict_gfp_mask();
	error = suspend_devices_and_enter(state);
	pm_restore_gfp_mask();

 Finish:
	pr_debug("PM: Finishing wakeup.\n");
	suspend_finish();
 Unlock:
	mutex_unlock(&pm_mutex);
	return error;

2. 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， 然后一次调用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。

/**
 *	suspend_prepare - Do prep work before entering low-power state.
 *
 *	This is common code that is called for each state that we‘re entering.
 *	Run suspend notifiers, allocate a console and stop all processes.
 */
static int suspend_prepare(void)

	int error;

	if (!suspend_ops || !suspend_ops->enter)
		return -EPERM;

	pm_prepare_console();

	error = pm_notifier_call_chain(PM_SUSPEND_PREPARE);
	if (error)
		goto Finish;

	error = usermodehelper_disable();
	if (error)
		goto Finish;

	error = suspend_freeze_processes();
	if (!error)
		return 0;

	suspend_thaw_processes();
	usermodehelper_enable();
 Finish:
	pm_notifier_call_chain(PM_POST_SUSPEND);
	pm_restore_console();
	return error;

3. 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_ops(通常是在板级定义中定义和注册，在kernel/arch/arm/mach-xx/pm.c中调用suspend_set_ops)， 这里就会调用 suspend_ops->begin()； 然后调用dpm_suspend_start，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 condio，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/arch/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，这时就已经休眠了。代码的执行也就停在这里了。

/**
 *	suspend_devices_and_enter - suspend devices and enter the desired system
 *				    sleep state.
 *	@state:		  state to enter
 */
int suspend_devices_and_enter(suspend_state_t state)

	int error;

	if (!suspend_ops)
		return -ENOSYS;

	trace_machine_suspend(state);

         // 如果平台注册了suspend_ops(通常是在板级定义中定义和注册，
           // 在kernel/arch/arm/mach-xx/pm.c中调用suspend_set_ops)， 
           // 这里就会调用 suspend_ops->begin()；
	if (suspend_ops->begin) 
		error = suspend_ops->begin(state);
		if (error)
			goto Close;
	
	suspend_console();
	suspend_test_start();

         // 依次调用驱动的suspend() 回调来休眠掉所有的设备。
	error = dpm_suspend_start(PMSG_SUSPEND);
	if (error) 
		printk(KERN_ERR "PM: Some devices failed to suspend\n");
		goto Recover_platform;
	
	suspend_test_finish("suspend devices");
	if (suspend_test(TEST_DEVICES))
		goto Recover_platform;
        
         // 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，这时就已经休眠了。代码的执行也就停在这里了。
	error = suspend_enter(state);

 Resume_devices:
	suspend_test_start();
	dpm_resume_end(PMSG_RESUME);
	suspend_test_finish("resume devices");
	resume_console();
 Close:
	if (suspend_ops->end)
		suspend_ops->end();
	trace_machine_suspend(PWR_EVENT_EXIT);
	return error;

 Recover_platform:
	if (suspend_ops->recover)
		suspend_ops->recover();
	goto Resume_devices;

三、Linux Resume流程

       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。