μC/O-SII內(nèi)核擴(kuò)展接口的低功耗模式

摘要：在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，如何在操作系統(tǒng)層面盡量降低系統(tǒng)功耗已成為一個(gè)值得研究的問題。本文以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSII為例，以飛思卡爾8位單片機(jī)HCS08GT60作為硬件平臺(tái)，詳細(xì)討論如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如何利用μC/OSII內(nèi)核擴(kuò)展接口省電；詳細(xì)分析如何選擇一種合適的單片機(jī)低功耗模式，說明利用μC/OSII內(nèi)核擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：μC/OS-II 內(nèi)核擴(kuò)展接口 HCS08GT60 低功耗模式

<STRONG>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(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(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、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)；如果沒有，則重復(fù)上面的過程。

　　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，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)中搶過來。

　　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?？臻e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①，只是一個(gè)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。

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)镠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。

　　　　　　　　　　　　　　　　表1三種STOP子模式的特點(diǎn)
　　　　　　

　　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(hào)，由于無法提供時(shí)鐘節(jié)拍，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(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，而在喚醒之后再從RAM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。

　　　　　　　　　　　　　　表2STOP2、STOP3和WAIT模式下的功耗
　　　　　　

　　μC/OS-II為用戶提供了一個(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

　　毫無疑問，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，并沒有一個(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，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赗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。

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