在μC/OS—II上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

　　引 言

　　現(xiàn)代社會(huì)中，便攜式系統(tǒng)(如手機(jī)和個(gè)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(xiàng)普通功能。然而，復(fù)雜的功能需要功能強(qiáng)大的處理器，如智能手機(jī)中已集成了模擬基帶、數(shù)字基帶、圖像處理器和CPU等多個(gè)分處理器，但這些分處理器并不是任何時(shí)刻都是滿負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的，它們?cè)诤芏鄷r(shí)候都處于閑置狀態(tài)。因此，對(duì)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(gè)處理器的功耗水平從而節(jié)省電能便成了一個(gè)普遍關(guān)注的問題。

　　μC／OS—II作為一個(gè)源碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以支持64個(gè)任務(wù)，同時(shí)支持信號(hào)量、消息隊(duì)列、郵箱等多種常用的進(jìn)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(qiáng)，移植性好，可裁減，并已在通信、電子、自動(dòng)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(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以支持動(dòng)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(dòng)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(yùn)行在盡可能低的電壓上。它的基本思想是，當(dāng)系統(tǒng)需要完成大量計(jì)算任務(wù)時(shí)，提高處理器的電壓以增加其處理速度；而當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)較少或處于空閑狀態(tài)時(shí)，降低處理器的電壓，這樣既可以保證系統(tǒng)任務(wù)的按時(shí)完成，同時(shí)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(duì)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(gè)設(shè)備中所占的比例；tTask表示系統(tǒng)中任務(wù)的個(gè)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(duì)電能的消耗。由于在實(shí)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(huì)根據(jù)處理器頻率的變化自動(dòng)變化。一般來說，處理器的電壓會(huì)隨著頻率的降低而降低，因此，動(dòng)態(tài)電壓技術(shù)實(shí)際上是對(duì)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(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度內(nèi)核，為了保證低優(yōu)先級(jí)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(gè)任務(wù)：一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為0．5 s，周期為10 s；另一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為1 s，周期為5 s。這兩個(gè)任務(wù)的調(diào)度過程如圖l所示，這時(shí)系統(tǒng)中存在大量的松弛時(shí)間。

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

　　由圖2可以知道，當(dāng)處理器的頻率變化為正常的1／4時(shí)，系統(tǒng)任務(wù)仍然可以正常運(yùn)行。這時(shí)，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(jí)搶占的調(diào)度策略，每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一段時(shí)間之后，都會(huì)主動(dòng)放棄CPU的使用，從而使低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠得到執(zhí)行。同時(shí)，由于任務(wù)放棄CPU進(jìn)行延時(shí)操作，任務(wù)間會(huì)因此而產(chǎn)生松弛時(shí)間，而DVS功能就是利用這段松弛時(shí)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(diǎn)就是改進(jìn)μC／OS—II，使它能夠根據(jù)系統(tǒng)中任務(wù)運(yùn)行產(chǎn)生的松弛時(shí)間的情況，自動(dòng)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(dāng)系統(tǒng)中任務(wù)之間存在松弛時(shí)間的時(shí)候，降低處理器的頻率可以縮短任務(wù)之間的松弛時(shí)間，同時(shí)由于頻率下降導(dǎo)致電壓下降，進(jìn)而可以減少處理器的能量開銷。然而，什么時(shí)候進(jìn)行DVS的調(diào)度，處理器最低運(yùn)行在哪個(gè)頻率上都需要進(jìn)一步分析，為此，需要了解每個(gè)任務(wù)的相關(guān)信息。本文用一個(gè)五元組表示一個(gè)任務(wù)，τi=(Si，PTi，ETi，LETi，NPTi)。其中，Si表示第i個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，是就緒還是阻塞；PTi表示第i個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期；ETi表示第i個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，LETi表示第i個(gè)任務(wù)在當(dāng)前周期內(nèi)完成剩余指令所需要的時(shí)間；NPTi表示第i個(gè)任務(wù)距離下一個(gè)周期任務(wù)所需的時(shí)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(dāng)且僅當(dāng)Uτ1時(shí)任務(wù)集可調(diào)度，任務(wù)間存在松弛時(shí)間。這是啟用DVS功能的前提。

　　2．2 判斷是否需要進(jìn)行DVS調(diào)度

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

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

　　2．3 計(jì)算可運(yùn)行的最低頻率

　　處理器的頻率廠是和完成任務(wù)需要的時(shí)間T成正比的。它們之間遵循如下關(guān)系：

　　假設(shè)當(dāng)前處理器的運(yùn)行頻率為fcur，完成已經(jīng)就緒任務(wù)需要的時(shí)間為Tcur，使任務(wù)集可調(diào)度的最低頻率為fnew，以及在新的頻率下完成就緒任務(wù)的時(shí)間為Tnew，則它們有如下關(guān)系：

　　即在某一時(shí)刻，滿足系統(tǒng)任務(wù)可調(diào)度的情況下，處理器頻率最低可以運(yùn)行在FlexibleRatio·fcur。

　　3 DVS在μC／OS—II上的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)

　　3．1 DVS在μC／OS—II上實(shí)現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)第2節(jié)的分析，一個(gè)完整的DVS模塊應(yīng)包括兩大部分：一部分是更新DVS任務(wù)控制信息，另外一部分是可調(diào)度的最低頻率的計(jì)算。其中，第二個(gè)部分又可以分為兩個(gè)層次，即最低頻率的計(jì)算和頻率的硬件設(shè)置部分，這樣分層之后有助于改進(jìn)后μC／OS—II的移植。DVS功能在μC／0S—II的實(shí)現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，下面詳細(xì)描述各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)過程。