在μC/OS Ⅱ上實現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

引言

現(xiàn)代社會中，便攜式系統(tǒng)(如手機和個人媒體播放器)正在演變成綜合性多媒體和通信系統(tǒng)。新的應(yīng)用程序，如游戲、數(shù)字電視、高速 Internet，已經(jīng)成為終端用戶產(chǎn)品中的一項普通功能。然而，復雜的功能需要功能強大的處理器，如智能手機中已集成了模擬基帶、數(shù)字基帶、圖像處理器和CPU等多個分處理器，但這些分處理器并不是任何時刻都是滿負載運轉(zhuǎn)的，它們在很多時候都處于閑置狀態(tài)。因此，對于依靠電池供電的便攜式設(shè)備，如何根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)調(diào)整各個處理器的功耗水平從而節(jié)省電能便成了一個普遍關(guān)注的問題。

μC/OS—II作為一個源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以支持64個任務(wù)，同時支持信號量、消息隊列、郵箱等多種常用的進程間通信方式。該操作系統(tǒng)用ANSI C語言書寫，程序可讀性強，移植性好，可裁減，并已在通信、電子、自動化等領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用，但是它的內(nèi)核并不支持 DVS(Dynamic Voltage Scaling)管理。本文在遵循可移植、可裁減的前提下，對其進行了改進，使其可以支持動態(tài)的離散電壓管理，保證μC/OS—II在新要求下的應(yīng)用，使嵌入式設(shè)備的電量能夠得到充分的使用。

1 DVS在μC/OS—II上應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

1.1 DVS應(yīng)用的硬件基礎(chǔ)

動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)(DVS)是這樣一種技術(shù)：在保證系統(tǒng)任務(wù)完成的情況下，使處理器運行在盡可能低的電壓上。它的基本思想是，當系統(tǒng)需要完成大量計算任務(wù)時，提高處理器的電壓以增加其處理速度;而當系統(tǒng)任務(wù)較少或處于空閑狀態(tài)時，降低處理器的電壓，這樣既可以保證系統(tǒng)任務(wù)的按時完成，同時又可降低處理器的能量消耗。該節(jié)能技術(shù)的理論依據(jù)來自于對處理器功耗的定義：

其中：E為處理器的功耗，V為處理器的電壓，fclk為處理器的頻率，lLcak為漏電流;α和C為常數(shù)，分別表示門電路的電能轉(zhuǎn)換效率和門電路在整個設(shè)備中所占的比例;tTask表示系統(tǒng)中任務(wù)的個數(shù)。根據(jù)式(1)可知，通過降低處理器的電壓和頻率，可以減少處理器對電能的消耗。由于在實際應(yīng)用中，程序能夠直接控制的是處理器的頻率，處理器的電壓會根據(jù)處理器頻率的變化自動變化。一般來說，處理器的電壓會隨著頻率的降低而降低，因此，動態(tài)電壓技術(shù)實際上是對頻率的調(diào)整。本文中如不作特別聲明，調(diào)整頻率即意味調(diào)整電壓。

1. 2 DVS應(yīng)用的軟件基礎(chǔ)

由于μC/OS—II是一個基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度內(nèi)核，為了保證低優(yōu)先級任務(wù)能夠得到處理器的執(zhí)行，本文假定系統(tǒng)中用戶定義的所有任務(wù)都遵循如下的結(jié)構(gòu)：

假設(shè)系統(tǒng)里有兩個任務(wù)：一個任務(wù)的執(zhí)行時間為0.5 s，周期為10 s;另一個任務(wù)的執(zhí)行時間為1 s，周期為5 s。這兩個任務(wù)的調(diào)度過程如圖l所示，這時系統(tǒng)中存在大量的松弛時間。

如果在程序運行過程中降低處理器的頻率，處理器的運行電壓也會因此變低。當處理器的頻率變化為最高頻率的 1/4時，其任務(wù)調(diào)度過程如圖2所示。

由圖2可以知道，當處理器的頻率變化為正常的1/4時，系統(tǒng)任務(wù)仍然可以正常運行。這時，處理器的電壓下降了，根據(jù)式(1)，處理器的功耗也降低了。

從上面的分析可以看出，正是由于μC/OS—II采用了基于優(yōu)先級搶占的調(diào)度策略，每個任務(wù)執(zhí)行一段時間之后，都會主動放棄CPU的使用，從而使低優(yōu)先級的任務(wù)能夠得到執(zhí)行。同時，由于任務(wù)放棄CPU進行延時操作，任務(wù)間會因此而產(chǎn)生松弛時間，而DVS功能就是利用這段松弛時問，降低處理器的執(zhí)行速度而完成任務(wù)的。本文研究的重點就是改進μC/OS—II，使它能夠根據(jù)系統(tǒng)中任務(wù)運行產(chǎn)生的松弛時間的情況，自動設(shè)置處理器的頻率，降低電壓，從而降低處理器的功耗。

2 DVS系統(tǒng)模型

2.1 DVS任務(wù)調(diào)度模型

由 1.2可知，當系統(tǒng)中任務(wù)之間存在松弛時間的時候，降低處理器的頻率可以縮短任務(wù)之間的松弛時間，同時由于頻率下降導致電壓下降，進而可以減少處理器的能量開銷。然而，什么時候進行DVS的調(diào)度，處理器最低運行在哪個頻率上都需要進一步分析，為此，需要了解每個任務(wù)的相關(guān)信息。本文用一個五元組表示一個任務(wù)，τi=(Si，PTi，ETi，LETi，NPTi)。其中，Si表示第i個任務(wù)的狀態(tài)，是就緒還是阻塞;PTi表示第i個任務(wù)的執(zhí)行周期;ETi表示第i個任務(wù)的執(zhí)行時間，LETi表示第i個任務(wù)在當前周期內(nèi)完成剩余指令所需要的時間;NPTi表示第i個任務(wù)距離下一個周期任務(wù)所需的時間。

根據(jù)上述定義，系統(tǒng)處理器的利用率Uτ可以表示為：

當且僅當Uτ1時任務(wù)集可調(diào)度，任務(wù)間存在松弛時間。這是啟用DVS功能的前提。

2.2 判斷是否需要進行DVS調(diào)度

為了計算松弛時間存在時處理器最低可以運行在哪個頻率上，引入“變壓因子”這個概念。假設(shè)DVS模塊被調(diào)用時所有就緒任務(wù)需要的執(zhí)行時間為TAllReady，距離下一個等待任務(wù)恢復的時間為TleastWaiting，那么定義變壓因子 FlexibleRatio為：

當FlexibleRatio>1時，表示當前就緒的任務(wù)可以在下一個任務(wù)從等待中恢復之前執(zhí)行完畢，這時可以適當降低CPU的電壓和頻率，減慢任務(wù)的執(zhí)行速度;當FlexibleRatio1時，表示當前就緒的任務(wù)在下一個任務(wù)恢復之前都不能執(zhí)行完畢，所以這個時候可以提高CPU的電壓和頻率，使當前就緒的任務(wù)盡快執(zhí)行完畢，從而使下一個恢復的任務(wù)可以得到盡快的執(zhí)行;當 FlexibleRatio=1時，不需要調(diào)整電壓和頻率。