μCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在μ′nSPTM中的低功耗研究

1 嵌入式系統(tǒng)的功耗
嵌入式系統(tǒng)的平均功耗和電池容量共同決定待機(jī)時(shí)間，平均功耗越小、電池容量越大則待機(jī)時(shí)間越長。而嵌入式系統(tǒng)的功耗可以分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，靜態(tài)功耗是由CMOS電路的漏電流形成，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)使漏電流減少到盡可能小，因此靜態(tài)功耗一般占總功耗的比例很小；動(dòng)態(tài)功耗是由CMOS電路的分布電容充放電形成，該功耗占總功耗的比例很大，因此也是主要的研究對(duì)象。動(dòng)態(tài)功耗的大小可由式PD=CL×VDD2×f表示，CL是CMOS電路的分布電容，與芯片尺寸和工藝有關(guān)；VDD是電源電壓；f是系統(tǒng)的工作頻率，降低工作頻率有助于降低系統(tǒng)功耗，但會(huì)使系統(tǒng)工作速度下降。
由上述分析可知，降低嵌入式系統(tǒng)的功耗主要有兩種途徑。第一種是動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)，它可以改變不同電壓域上的時(shí)鐘頻率。雖然這種方法可以消除空閑等待的時(shí)間，但是卻不能減少能量的消耗。比如將一個(gè)任務(wù)以通常情況的一半頻率來運(yùn)行，意味著完成這個(gè)任務(wù)要通常的兩倍時(shí)間。DFS有用的地方在于，它可以降低峰值功耗。第二種方式是動(dòng)態(tài)地電壓和頻率調(diào)節(jié)(DVFS)。DVFS是建立在DFS基礎(chǔ)之上的，它既要降低頻率，又要降低電壓。由于電壓對(duì)動(dòng)態(tài)功耗二次方的關(guān)系，DVFS確實(shí)能將能量的消耗節(jié)省下來。為此ARM公司的Faisal M．Goriawalla先生提出IEM(智能能量管理)方案，該方案采用步進(jìn)策略、前瞻策略或平均數(shù)策略等算法調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率和電壓，對(duì)于最終產(chǎn)品來說，則可以節(jié)省15％～20％的能量消耗(來源于ARM公司OEM合作伙伴的數(shù)據(jù))。

2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ和凌陽處理器μ′nSPTM簡介
μCOS-Ⅱ是一個(gè)簡單、高效的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有可搶占的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)功能。μCOS-Ⅱ提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量、塊大小固定的內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放、時(shí)間相關(guān)函數(shù)等。μCOS-Ⅱ2．5版本支持64個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)一個(gè)特定的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)越高，數(shù)字越小。系統(tǒng)占用了8個(gè)任務(wù)，保留優(yōu)先級(jí)為0，1，2，3，OS LOWEST_PRIO-3，OS_LOWEST_PRIO_2，OS_LOWEST_PRIO_1，OS_LOWEST_PRIO_0。
凌陽16位處理器μ′nSPTM被廣泛應(yīng)用在家用電器控制器、儀器儀表、工業(yè)控制、娛樂和語音控制等場合。在功耗控制方面，μ′nSPTM采用CMOS制造工藝，同時(shí)增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗?？梢酝ㄟ^對(duì)P SystemClock的設(shè)置進(jìn)行選擇CPU的時(shí)鐘可以在O．32～49．152 MHz范圍內(nèi)可編程調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電僅為2μA@3．6 V。μ′nSPTM處理器滿足μCOS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)移植的條件。
凌陽16位處理器μ′nSPTM的時(shí)鐘有多種選擇。系統(tǒng)采用32 768 Hz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)過PLL倍頻電路以后，產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘頻率FOSC，F(xiàn)OSC再經(jīng)過分頻得到CPU時(shí)鐘頻率。其工作原理如圖1所示。

由圖1可知：μ′nSPTM的時(shí)鐘有多種選擇，從O．32～49．152 MHz范圍內(nèi)可編程調(diào)節(jié)，另外還可以關(guān)閉32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在3．6 V電源電壓下，處理器的工作電流見表1。

3 μCOS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)低功耗的原理
μCOS-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)中搶過來。在μCOS-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)，在沒有任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)的時(shí)候，空閑任務(wù)就會(huì)開始運(yùn)行。空閑任務(wù)會(huì)調(diào)用一個(gè)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，只是一個(gè)等待中斷的無限循環(huán)。因此用戶可以利用OSTaskIdleHook()，降低或者關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)鐘，使CPU進(jìn)入低功耗模式。在實(shí)際的測試中，可修改文件OS_CPU_A．ASM，添加控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘的例程，然后在應(yīng)用程序或函數(shù)OSTaskIdleHook()中調(diào)用，這樣更便于程序閱讀。