μC/O-SII內(nèi)核擴(kuò)展接口的低功耗模式

引 言

隨著消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的功能日益復(fù)雜，在其中移植或固化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已不是新鮮事了，如手機(jī)、pda等等。對(duì)于該類(lèi)產(chǎn)品，低功耗特性往往占有舉足輕重的地位。如何在操作系統(tǒng)層面上，盡量降低系統(tǒng)功耗，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式cpu都具有低功耗的工作模式，如果在任務(wù)調(diào)度的空閑時(shí)間，使cpu進(jìn)入這種模式，就能大幅度降低系統(tǒng)功耗。

本文以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc/os-ii在飛思卡爾8位單片機(jī)hcs08gt60上的移植為例，詳細(xì)討論如何利用μc/os-ii給出的內(nèi)核擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；進(jìn)一步分析如何選擇一種合適的低功耗模式。μc/os-ii是一種可移植、可固化、可裁剪的可剝奪型多任務(wù)內(nèi)核。由于其源碼公開(kāi)、注釋詳盡、內(nèi)核設(shè)計(jì)概念清晰，已成為世界上學(xué)習(xí)和使用頻率較高的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。2000年7月，μc/os-ii v2.52通過(guò)了美國(guó)航空航天管理局的安全認(rèn)證，其可靠性得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。利用任務(wù)調(diào)度的空閑時(shí)間使cpu進(jìn)入低功耗模式，以降低系統(tǒng)功耗這一思想在μc/os-ii內(nèi)核設(shè)計(jì)之初就被注意到了。為此設(shè)計(jì)者特意留出了相應(yīng)的內(nèi)核擴(kuò)展接口。用戶(hù)可以利用此接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)的低功耗系統(tǒng)。

1 利用空閑任務(wù)擴(kuò)展接口使cpu進(jìn)入低功耗模式

實(shí)現(xiàn)μc/os-ii低功耗特性的方法很簡(jiǎn)單：用戶(hù)可以利用μc/os-ii中空閑任務(wù)的擴(kuò)展接口，使系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下進(jìn)入某種低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗；同時(shí)利用rti信號(hào)作為時(shí)鐘節(jié)拍，周期性地喚醒cpu。cpu被喚醒之后，將執(zhí)行節(jié)拍中斷服務(wù)程序，重新判斷是否有任務(wù)處于就緒態(tài)。如果有，就執(zhí)行該任務(wù)；如果沒(méi)有，則重復(fù)上面的過(guò)程。

μc/os-ii最多可以管理64個(gè)任務(wù)，并為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)。每一個(gè)任務(wù)有五種可能的狀態(tài)——睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、等待態(tài)和中斷服務(wù)態(tài)。μc/os-ii屬于可剝奪型內(nèi)核，也就是說(shuō)，μc/os-ii總是運(yùn)行進(jìn)入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。一旦優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，就可以將cpu從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)中搶過(guò)來(lái)。

在μc/os-ii初始化時(shí)，會(huì)建立一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)——空閑任務(wù)，在沒(méi)有任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)的時(shí)候，空閑任務(wù)就會(huì)開(kāi)始運(yùn)行?？臻e任務(wù)會(huì)調(diào)用一個(gè)函數(shù)——ostaskidlehook()。這是留給用戶(hù)使用的內(nèi)核擴(kuò)展接口。空閑任務(wù)實(shí)際上并沒(méi)有什么事情可做①，只是一個(gè)等待中斷的無(wú)限循環(huán)。因此用戶(hù)可以利用ostaskidlehook()，使cpu進(jìn)入低功耗模式。

① 事實(shí)上，空閑任務(wù)可以為統(tǒng)計(jì)任務(wù)提供一個(gè)計(jì)數(shù)，用以統(tǒng)計(jì)cpu的利用率，但該工作完全可以在改動(dòng)ostaskidlehook()之前運(yùn)行。

用戶(hù)不必?fù)?dān)心整個(gè)內(nèi)核因?yàn)橄到y(tǒng)進(jìn)入低功耗模式而停止運(yùn)行。因?yàn)閔cs08gt60允許rti時(shí)鐘周期性地將cpu喚醒。喚醒之后的系統(tǒng)會(huì)和遇到節(jié)拍中斷一樣，進(jìn)入ostickisr()中斷服務(wù)程序，查看是否有任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)。如果還沒(méi)有，就再次進(jìn)入低功耗模式。對(duì)于hcs08gt60，允許rti時(shí)鐘的低功耗模式有wait模式、stop2模式和stop3模式三種，其功耗、系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間、喚醒中斷源等各不相同。下面介紹如何選擇一種合適的低功耗模式。

2 選擇合適的低功耗模式

2.1 hcs08gt60的低功耗模式

考慮到后面的討論要涉及到具體的低功耗模式，所以首先介紹一下單片機(jī)hcs08gt60的低功耗特性。hcs08gt60屬于飛思卡爾（原motorola）hcs08系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)的低功耗特性很突出；工作電壓可以在1.8~3.6 v之間選擇，有wait和stop兩種低功耗模式。stop模式可細(xì)分為stop3、stop2和stop1三種，功耗依次降低。wait模式下， cpu停止運(yùn)行，但其他外圍模塊并不斷電，因此，系統(tǒng)隨時(shí)可以響應(yīng)各種中斷。hcs08gt60的三種stop模式如表1所列?！?

從表1可以看出，在stop1模式中，喚醒cpu只能通過(guò)irq中斷或復(fù)位信號(hào)，由于無(wú)法提供時(shí)鐘節(jié)拍，內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度無(wú)法實(shí)現(xiàn)；而在stop2和stop3中，rti都可以作為系統(tǒng)的喚醒中斷源，內(nèi)核可以使用rti作為時(shí)鐘節(jié)拍。

stop2模式與stop3模式相比功耗更低；但是，stop2模式下i/o寄存器是關(guān)閉的，必須在進(jìn)入模式之前將i/o寄存器的值保存在ram中，而在喚醒之后再?gòu)膔am拷貝到i/o寄存器。喚醒stop2可以使用irq、復(fù)位信號(hào)和rti。stop3模式下，ram和i/o寄存器內(nèi)容將保持。另外，除stop2模式允許的喚醒中斷源外，還允許鍵盤(pán)中斷喚醒cpu。

2.2 實(shí)時(shí)性、中斷源和功耗影響低功耗模式的選擇有三個(gè)主要因素：功耗、中斷源和實(shí)時(shí)性。

(1) 功耗

前文中已經(jīng)提到，適用于μc/os-ii的低功耗模式（即允許rti喚醒）有三種：wait模式、stop3模式和stop2模式。系統(tǒng)在這三種模式下的功耗逐漸降低。表2列出了3.12 v供電下，三種模式的典型功耗。

μc/os-ii為用戶(hù)提供了一個(gè)統(tǒng)計(jì)任務(wù)，用以計(jì)算cpu的利用率，并保存在變量oscpuusage（%）中。用戶(hù)可以在加入低功耗處理前②，使用統(tǒng)計(jì)任務(wù)計(jì)算出cpu利用率，從而粗略地估算出系統(tǒng)的功耗。

② 計(jì)算必須在改動(dòng)ostaskidlehook()之前進(jìn)行，因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)進(jìn)入任何一種低功耗模式，空閑任務(wù)將不能給變量osidlectr繼續(xù)加1。

假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，消耗電流為1 ma，cpu利用率是1%，則以下是選擇三種不同低功耗模式后的消耗電流。

stop2:1 ma×1%+890 na×99％=10.881 μa,系統(tǒng)功耗降低98.9%。

stop3③:1 ma×1％+14.5 μa×99％=24.355 μa，系統(tǒng)功耗降低97.6%。

③ 使用以32 khz晶振為時(shí)鐘源的rti。

wait: 1 ma×1％+560 μa×99％=564.4 μa，系統(tǒng)功耗降低43.6%。

系統(tǒng)功耗當(dāng)然越小越好，但當(dāng)考慮到其他因素時(shí)，系統(tǒng)功耗就未必能夠達(dá)到最低了。

(2) 中斷源

系統(tǒng)用到的中斷源限制了低功耗模式的使用。為了保證μc/os-ii正常運(yùn)行，系統(tǒng)所用到的中斷必須能夠喚醒處于低功耗模式下的cpu。

wait模式雖然功耗較大，但能夠響應(yīng)任何中斷源；stop3模式下，系統(tǒng)保留了rti、irq、kbi和復(fù)位作為喚醒中斷；而在stop2模式下，只有irq、復(fù)位和rti可以喚醒系統(tǒng)。

(3) 實(shí)時(shí)性

毫無(wú)疑問(wèn)，使cpu進(jìn)入低功耗模式會(huì)減弱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。這種減弱來(lái)自于兩個(gè)方面，一是使中斷響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)；二是使響應(yīng)的時(shí)間變得不易預(yù)測(cè)。

系統(tǒng)從低功耗模式中被喚醒后，時(shí)鐘往往需要一段時(shí)間穩(wěn)定，有時(shí)候還需要軟件做內(nèi)核運(yùn)行環(huán)境的恢復(fù)工作（如stop2下的寄存器恢復(fù)），中斷的響應(yīng)時(shí)間就被拉長(zhǎng)了。同時(shí)，由于時(shí)鐘恢復(fù)的時(shí)間和供電電壓、時(shí)鐘源、環(huán)境溫度都有密切的關(guān)系，實(shí)際上不可能給出一個(gè)準(zhǔn)確的恢復(fù)時(shí)間，中斷響應(yīng)的時(shí)間也就變得不易預(yù)測(cè)了。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間的不可預(yù)測(cè)往往比響應(yīng)得慢更為致命，一個(gè)響應(yīng)速率時(shí)快時(shí)慢的系統(tǒng)只能以最壞的情況作估計(jì)。所幸的是，大多數(shù)低功耗應(yīng)用（如手機(jī)、pda等）都不是硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，換句話說(shuō)，并沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的響應(yīng)時(shí)間限制。大多數(shù)情況下，采用低功耗處理所帶來(lái)的實(shí)時(shí)性減弱可以被忍受。

wait模式對(duì)響應(yīng)時(shí)間影響最小。由于沒(méi)有停止系統(tǒng)時(shí)鐘，wait模式對(duì)中斷的響應(yīng)基本都是同步的。

stop3模式恢復(fù)的時(shí)間和時(shí)鐘設(shè)置關(guān)系很大。除了fbe時(shí)鐘方案外(使用外時(shí)鐘、不使用鎖相環(huán))，恢復(fù)時(shí)間都在100 μs左右。如果采用fbe，恢復(fù)時(shí)間就和晶振頻率密切相關(guān)了。一般32 khz晶振需要180～300 ms恢復(fù)穩(wěn)定，假如在stop3模式下將晶振保持打開(kāi)，則只需要2.42 ms。

stop2模式的恢復(fù)時(shí)間在50 μs④左右。但是，因?yàn)樾枰獙⒃趓am中保存的i/o寄存器恢復(fù)，可能另外還需要幾十個(gè)指令周期。

④以上恢復(fù)時(shí)間均為實(shí)測(cè)值。

表面上stop2的恢復(fù)時(shí)間比stop3的恢復(fù)時(shí)間短，但是考慮到進(jìn)入stop2之后rti時(shí)鐘源會(huì)從外部晶振調(diào)整為內(nèi)部晶振，最多可能與實(shí)際系統(tǒng)相差1個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。

3 μc/os-ii在hcs08gt60上的移植

μc/os-ii的95％代碼是由ansi c寫(xiě)成的，具有很好的移植性。如何移植μc/os-ii可以參閱文獻(xiàn)[1]。這里只強(qiáng)調(diào)一下時(shí)鐘節(jié)拍的選擇。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)和確認(rèn)超時(shí)，μc/os-ii需要系統(tǒng)提供一個(gè)10～100 hz的周期性信號(hào)。我們選擇實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷（rti）作為μc/os-ii的時(shí)鐘。這主要是考慮在hcs08gt60處于wait或者stop2/3模式下，rti仍然可以作為喚醒系統(tǒng)的中斷源。需要注意，在運(yùn)行和等待模式下，rti的時(shí)鐘只能由外部晶振提供；在stop3模式下，rti時(shí)鐘可以由外部晶振或是內(nèi)部晶振提供；在stop2模式下，rti只能由內(nèi)部時(shí)鐘提供。為了盡量不改動(dòng)時(shí)鐘源，建議使用1個(gè)32.768 khz的外部晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘和rti時(shí)鐘，在運(yùn)行、wait和stop3模式下，rti的時(shí)鐘源始終不變;而在stop2模式下，用戶(hù)只能使用內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器提供的rti時(shí)鐘源。

4 結(jié)論

仔細(xì)分析1個(gè)低功耗實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)現(xiàn),有很多因素左右著系統(tǒng)功耗，各因素之間往往會(huì)相互影響，相互制約。例如，為了保證實(shí)時(shí)性，盡量不改動(dòng)時(shí)鐘設(shè)置，使用了32.768 khz的外部晶振作為rti時(shí)鐘源，并利用鎖相環(huán)將該頻率升高，作為系統(tǒng)總線時(shí)鐘。從操作系統(tǒng)角度分析，cpu可以進(jìn)入低功耗模式，系統(tǒng)功耗降低了。但是，因?yàn)槭褂昧随i相環(huán)，也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的功耗。對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，這種做法到底是提高還是降低了系統(tǒng)功耗，只能通過(guò)cpu占用率、節(jié)拍頻率等條件具體分析了。

因此，要選擇一套合理的軟硬件設(shè)置來(lái)降低功耗，就必須全盤(pán)考慮，不能僅僅局限于操作系統(tǒng)的角度。