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

摘要 為了實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)DVS的支持，本文在分析軟硬件兩方面節(jié)能原理的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)DVS的通用模型。該模型在μC／0S—II上得到了具體的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)后的μC／OS—II被移植到支持離散頻率調(diào)整的開發(fā)板W90P710上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的μC／OS—II節(jié)能效果顯著。
關(guān)鍵詞 電源管理 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整 節(jié)能技術(shù) 低功耗 μC／OS—II

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(wèn)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(yǔ)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(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)，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。

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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)Uτ<1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)FlexibleRatio<1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(guò)程。

3．2 更新DVS任務(wù)控制信息
    為了讓系統(tǒng)知道每個(gè)任務(wù)的詳細(xì)情況，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中建立如下結(jié)構(gòu)體保存任務(wù)的信息：

    該結(jié)構(gòu)體作為任務(wù)控制塊的一部分，在任務(wù)創(chuàng)建時(shí)，將μC／OS—II自身預(yù)留的任務(wù)擴(kuò)展指針OSTCBExtPtr指向該結(jié)構(gòu)體。這些信息必須在每一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍之后都有變化，因此它們必須在每一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍進(jìn)行更新。更新這部分信息的代碼被放在OSTimeTickHook()函數(shù)中。
3．3 計(jì)算可運(yùn)行的最低電壓和頻率
    計(jì)算可運(yùn)行的最低電壓和頻率的算法是DVS功能的核心部分。算法的基本思想是，將所有任務(wù)產(chǎn)生的松弛時(shí)間給當(dāng)前任務(wù)使用，使當(dāng)前就緒的任務(wù)集以盡量低的電壓和頻率運(yùn)行。系統(tǒng)最開始運(yùn)行在最高頻率和電壓下。該算法的偽代碼如下：[!--empirenews.page--]

//變量leastNxtSusTime表示距離最近一個(gè)任務(wù)就緒的時(shí)間

//變量readyTaskRequireTime表示就緒任務(wù)共需要的執(zhí)行時(shí)間獲取任務(wù)TCB；

根據(jù)FlexibleRatio設(shè)置處理器的頻率
    由于系統(tǒng)并不是時(shí)刻都需要?jiǎng)討B(tài)地去改變處理器的頻率和電壓，當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)中任務(wù)的就緒隊(duì)列發(fā)生變化的時(shí)候才需要重新計(jì)算處理器的頻率和電壓。因此，這部分代碼需要在任務(wù)的切換過(guò)程中和中斷返回時(shí)執(zhí)行。在本實(shí)驗(yàn)中，這部分代碼寫在μC／OS—II擴(kuò)展文件os_cpu_c．c中的OSTaskSwHook()函數(shù)中，同時(shí)在OSIntCtxSw()中也用了這個(gè)函數(shù)。
3．4 設(shè)置處理器的頻率和電壓
    由于設(shè)置處理器的頻率和電壓是與操作系統(tǒng)所運(yùn)行的硬件平臺(tái)相關(guān)的，不同的處理器設(shè)置處理器頻率和電壓的方法不盡相同，所以本實(shí)驗(yàn)在改進(jìn)μC／OS—II的時(shí)候并沒(méi)有將這部分代碼寫入內(nèi)核，而是提供了擴(kuò)展接口setCPUAtSpecifledVolAndFreq(voltage，frequency)供移植時(shí)使用。該函數(shù)用于設(shè)置處理器的電壓和頻率為指定的電壓和頻率。其中，參數(shù)voltage和frequency分別表示電壓和頻率。
3．5 快速查詢頻率和電壓
    因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)的處理器并不支持連續(xù)地設(shè)置處理器的頻率，它們僅支持離散地設(shè)置處理器的頻率，所以按照公式(8)計(jì)算出來(lái)的頻率處理器可能并不支持。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程引入了頻率查詢表快速查詢高于計(jì)算結(jié)果的，且處理器支持的最低頻率。它的結(jié)構(gòu)如下：

   
    根據(jù)計(jì)算出的FlexibleRatio，即可直接在查詢表中查詢到相應(yīng)的頻率值；但是計(jì)算出的FlexibleRatio多為小數(shù)，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常將該表設(shè)計(jì)得比實(shí)際大10倍。查詢的時(shí)候先將FlexibleRatio乘以10后取整，然后再查表。
3．6 可裁減設(shè)計(jì)
    為保持與μC／0S—II本身可裁減特性的一致，新加入的DVS功能可以在os_cfg．h中通過(guò)宏定義變量0S_PM_DVS_EN來(lái)啟用和關(guān)閉。OS_PM_DVS_EN為1表示開啟DVS功能，為O表示關(guān)閉。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    改進(jìn)后的μC／0S—II使用ARM Develop Suit V1．2編譯后，在華邦的W90P710開發(fā)板上測(cè)試運(yùn)行。W90P710開發(fā)板支持4個(gè)等級(jí)的頻率調(diào)整。有關(guān)μC／OS-II在這塊板子上的移植請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)。

    采用功率計(jì)HIOK13332測(cè)量改進(jìn)前后μC／OS—II在板子上運(yùn)行時(shí)的功耗。本測(cè)試案例創(chuàng)建了兩個(gè)任務(wù)。這兩個(gè)任務(wù)的屬性如表1所列。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用DVS功能與不使用DVS功能相比，調(diào)節(jié)處理器的功耗下降41％。

5 結(jié) 論
    本文的創(chuàng)新之處在于提出了一個(gè)DVS的實(shí)現(xiàn)模型，并在保持μC／OS—II原有的基于搶占的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度基礎(chǔ)上，在遵循可裁減、可移植的前提下，在其內(nèi)核中加入了支持動(dòng)態(tài)電壓管理的代碼配置和函數(shù)接口。經(jīng)測(cè)試，改進(jìn)后的μC／OS—II可以在W90P710上順利運(yùn)行。雖然本實(shí)驗(yàn)是針對(duì)離散的頻率和電壓進(jìn)行的，但改進(jìn)的μC／0S—II仍然可以支持連續(xù)電壓和頻率下的動(dòng)態(tài)管理。通過(guò)以上改進(jìn)，μC／0S—II在實(shí)際應(yīng)用中可以節(jié)省更多的能耗，設(shè)備的使用時(shí)間會(huì)更加長(zhǎng)久。