μC/OS－II內(nèi)核擴(kuò)展接口的低功耗模式

引言

隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品的功能日益復(fù)雜，在其中移植或固化實(shí)時操作系統(tǒng)已不是新鮮事了，如手機(jī)、pda等等。對于該類產(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，是一個值得探討的問題。一般來說，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)一個低功耗的嵌入式實(shí)時系統(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、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)時操作系統(tǒng)。2000年7月，μc/os－ii v2.52通過了美國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，用戶可以利用此接口，實(shí)現(xiàn)一個實(shí)時的低功耗系統(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單：用戶可以利用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，同時利用rti信號作為時鐘節(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)；如果沒有，則重復(fù)上面的過程。

μc/os－ii最多可以管理64個任務(wù)，并為每一個任務(wù)分配一個不同的優(yōu)先級。每一個任務(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，μc/os－ii總是運(yùn)行進(jìn)入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)。一旦優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，就可以將cpu從低優(yōu)先級任務(wù)中搶過來。

在μc/os－ii初始化時，會建立一個優(yōu)先級最低的任務(wù)--空閑任務(wù)，在沒有任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)的時候，空閑任務(wù)就會開始運(yùn)行?？臻e任務(wù)會調(diào)用一個函數(shù)--ostaskidlehook（）。這是留給用戶使用的內(nèi)核擴(kuò)展接口?？臻e任務(wù)實(shí)際上并沒有什么事情可做①，只是一個等待中斷的無限循環(huán)。因此用戶可以利用ostaskidlehook（），使cpu進(jìn)入低功耗模式。

用戶不必?fù)?dān)心整個內(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時鐘周期性地將cpu喚醒。喚醒之后的系統(tǒng)會和遇到節(jié)怕中斷一樣，進(jìn)入ostickisr（）中斷服務(wù)程序，察看之是否有任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)。如果還沒有，就再次進(jìn)入低功耗模式。

對于hcs08gt60，允許rti時鐘的低功耗模式有wait模式，stop2模式和stop3模式三種，其功耗、系統(tǒng)恢復(fù)時間，換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）hcs80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1.8－3.6v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，功耗主次降低。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irq中斷或復(fù)位信號，由于無法提供時鐘節(jié)怕，內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度無法實(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，而在喚醒之后再從ram拷貝到i/o寄存器。喚醒stop2可以使用irq，復(fù)位信號和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，還允許鍵盤中斷喚醒cpu。

2.2 實(shí)時性、中斷源和功耗

影響低功耗模式的選擇有三個主要因素：功耗、中斷源和實(shí)時性。

（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3.12v供電下，三種模式的典型功耗。

μc/os－ii為用戶提供了一個統(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。

假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，消耗電流為1ma，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。

stop2：1ma×1％＋890na×99％＝10.881μa，系統(tǒng)功耗降低98.9％。
stop3③：1ma×1％＋14.5μa×99％＝24.355μa，系統(tǒng)功耗降低97.6％。
wait：1ma×1％＋560μa×99％＝564.4μa，系統(tǒng)功耗降低43.6％。
系統(tǒng)功耗當(dāng)然越小越好，但考慮到其他因素時，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)任務(wù)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)時性

毫無疑問，使cpu進(jìn)入低功耗模式會減弱系統(tǒng)的實(shí)時性。這種減弱來自于兩個方面，一是使中斷響應(yīng)時間變長；二是使響應(yīng)的時間變得不易預(yù)測。
當(dāng)系統(tǒng)從低功耗模式中被喚醒后，時鐘往往需要一段時間穩(wěn)定，有時候還需要軟件做內(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)時間就被拉長了。同時，由于時鐘恢復(fù)的時間和供電電壓、時鐘源、環(huán)境溫度都有密切的關(guān)系，實(shí)際上不可能給出一個準(zhǔn)確的恢復(fù)時間，中斷響應(yīng)的時間有就變得不易預(yù)測了。在實(shí)時系統(tǒng)中，響應(yīng)時間的不可預(yù)測往往比響應(yīng)得慢更為致命，一個響應(yīng)速率時快時慢的系統(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)時系統(tǒng)，換句話說，并沒有一個絕對的響應(yīng)時間限制。大多數(shù)情況下，采用低功耗處理所帶來的實(shí)時性減弱可以被忍受。

wait模式對響應(yīng)的時間影響最小。由于沒有停止系統(tǒng)時鐘，wait模式對中斷響應(yīng)基本都是同步的。

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

stop2模式的恢復(fù)時間在50μs④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指令周期。

表面上stop2的恢復(fù)時間比stop3的恢復(fù)時間短，但是考慮到進(jìn)入stop2之后rti時鐘源會從外部晶振調(diào)整為內(nèi)部晶振，最多可能與實(shí)際系統(tǒng)相差1個時鐘節(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)一下時鐘節(jié)拍的選擇。

為了實(shí)現(xiàn)時間延時和確認(rèn)超時，μc/os－ii需要提供一個10－100hz的周期性信號。我們選擇實(shí)時時鐘中斷（rti）作為μc/os－ii時鐘。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的時鐘只能由外部晶振提供；在stop3模式下，rti時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)部時鐘提供。為了盡量不改動時鐘源，建議使用1個32.768khz的外部晶振提供系統(tǒng)時鐘和rti時鐘，在運(yùn)行、wait和stop3模式下，rti的時鐘源始終不變，而在stop2模式下，用戶只能使用內(nèi)部時鐘發(fā)生器提供的rti時鐘源。

4.結(jié)論

仔細(xì)分析1個低功耗實(shí)時系統(tǒng)會發(fā)現(xiàn)，有很多因素左右著系統(tǒng)功耗，各因素之間往往會相互影響，相互制約。例如，為了保證實(shí)時性，盡量不改動時鐘設(shè)置，使用了32.768khz的外部晶振作為rti時鐘源，并利用鎖相環(huán)將該頻率升高，作為系統(tǒng)總線時鐘。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)，也會給系統(tǒng)帶來額外的功耗。對于一個實(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)置來降低功耗，就必須全盤考慮，不能僅僅局限于操作系統(tǒng)的角度。