在μC/OS Ⅱ上實(shí)現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

引言

現(xiàn)代社會中，便攜式系統(tǒng)(如手機(jī)和個人媒體播放器)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等多個分處理器，但這些分處理器并不是任何時刻都是滿負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的，它們在很多時候都處于閑置狀態(tài)。因此，對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)整各個處理器的功耗水平從而節(jié)省電能便成了一個普遍關(guān)注的問題。

μC/OS—II作為一個源碼公開的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，可以支持64個任務(wù)，同時支持信號量、消息隊列、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，對其進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以支持動態(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)需要完成大量計算任務(wù)時，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，降低處理器的電壓，這樣既可以保證系統(tǒng)任務(wù)的按時完成，同時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設(shè)備中所占的比例;tTask表示系統(tǒng)中任務(wù)的個數(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，處理器的電壓會根據(jù)處理器頻率的變化自動變化。一般來說，處理器的電壓會隨著頻率的降低而降低，因此，動態(tài)電壓技術(shù)實(shí)際上是對頻率的調(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是一個基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度內(nèi)核，為了保證低優(yōu)先級任務(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)里有兩個任務(wù)：一個任務(wù)的執(zhí)行時間為0.5 s，周期為10 s;另一個任務(wù)的執(zhí)行時間為1 s，周期為5 s。這兩個任務(wù)的調(diào)度過程如圖l所示，這時系統(tǒng)中存在大量的松弛時間。

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)行電壓也會因此變低。當(dāng)處理器的頻率變化為最高頻率的 1/4時，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，系統(tǒng)任務(wù)仍然可以正常運(yùn)行。這時，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)先級搶占的調(diào)度策略，每個任務(wù)執(zhí)行一段時間之后，都會主動放棄CPU的使用，從而使低優(yōu)先級的任務(wù)能夠得到執(zhí)行。同時，由于任務(wù)放棄CPU進(jìn)行延時操作，任務(wù)間會因此而產(chǎn)生松弛時間，而DVS功能就是利用這段松弛時問，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)生的松弛時間的情況，自動設(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)之間存在松弛時間的時候，降低處理器的頻率可以縮短任務(wù)之間的松弛時間，同時由于頻率下降導(dǎo)致電壓下降，進(jìn)而可以減少處理器的能量開銷。然而，什么時候進(jìn)行DVS的調(diào)度，處理器最低運(yùn)行在哪個頻率上都需要進(jìn)一步分析，為此，需要了解每個任務(wù)的相關(guān)信息。本文用一個五元組表示一個任務(wù)，τi=(Si，PTi，ETi，LETi，NPTi)。其中，Si表示第i個任務(wù)的狀態(tài)，是就緒還是阻塞;PTi表示第i個任務(wù)的執(zhí)行周期;ETi表示第i個任務(wù)的執(zhí)行時間，LETi表示第i個任務(wù)在當(dāng)前周期內(nèi)完成剩余指令所需要的時間;NPTi表示第i個任務(wù)距離下一個周期任務(wù)所需的時間。

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時任務(wù)集可調(diào)度，任務(wù)間存在松弛時間。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

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

當(dāng)FlexibleRatio>1時，表示當(dāng)前就緒的任務(wù)可以在下一個任務(wù)從等待中恢復(fù)之前執(zhí)行完畢，這時可以適當(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，表示當(dāng)前就緒的任務(wù)在下一個任務(wù)恢復(fù)之前都不能執(zhí)行完畢，所以這個時候可以提高CPU的電壓和頻率，使當(dāng)前就緒的任務(wù)盡快執(zhí)行完畢，從而使下一個恢復(fù)的任務(wù)可以得到盡快的執(zhí)行;當(dāng) FlexibleRatio=1時，不需要調(diào)整電壓和頻率。[!--empirenews.page--]

2.3 計算可運(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)的時間為Tnew，則它們有如下關(guān)系：

即在某一時刻，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)度的最低頻率的計算。其中，第二個部分又可以分為兩個層次，即最低頻率的計算和頻率的硬件設(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)描述各個部分的實(shí)現(xiàn)過程。

3.2 更新DVS任務(wù)控制信息

為了讓系統(tǒng)知道每個任務(wù)的詳細(xì)情況，實(shí)現(xiàn)過程中建立如下結(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，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時鐘節(jié)拍之后都有變化，因此它們必須在每一個時鐘節(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 計算可運(yùn)行的最低電壓和頻率

計算可運(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：

//變量leastNxtSusTime表示距離最近一個任務(wù)就緒的時間

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

根據(jù)FlexibleRatio設(shè)置處理器的頻率

由于系統(tǒng)并不是時刻都需要動態(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)的就緒隊列發(fā)生變化的時候才需要重新計算處理器的頻率和電壓。因此，這部分代碼需要在任務(wù)的切換過程中和中斷返回時執(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，同時在 OSIntCtxSw()中也用了這個函數(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的時候并沒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)計算出來的頻率處理器可能并不支持。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)現(xiàn)過程引入了頻率查詢表快速查詢高于計算結(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;但是計算出的 FlexibleRatio多為小數(shù)，故在實(shí)際應(yīng)用時常將該表設(shè)計得比實(shí)際大10倍。查詢的時候先將FlexibleRatio乘以10后取整，然后再查表。

3.6 可裁減設(shè)計

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中通過宏定義變量0S_PM_DVS_EN來啟用和關(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)板上測試運(yùn)行。W90P710開發(fā)板支持4個等級的頻率調(diào)整。有關(guān)μC/OS-II在這塊板子上的移植請查閱參考文獻(xiàn)。

采用功率計HIOK13332測量改進(jìn)前后μC/OS—II在板子上運(yùn)行時的功耗。本測試案例創(chuàng)建了兩個任務(wù)。這兩個任務(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)核中加入了支持動態(tài)電壓管理的代碼配置和函數(shù)接口。經(jīng)測試，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)電壓和頻率下的動態(tài)管理。通過以上改進(jìn)，μC/0S—II在實(shí)際應(yīng)用中可以節(jié)省更多的能耗，設(shè)備的使用時間會更加長久。

參考文獻(xiàn)[!--empirenews.page--]

1. Juha P Optimizing the Power for Multiple Voltage Domains 2006

2. Labrosse Jean J.邵貝貝 MicroC/OS-II The real-time Kernel 2006

3. Kim W.Shin D.Yun H S Performance Comparison of Dynamic Voltage Scaling Algorithms for Hard Real-Time Systems 2002

4. 羅剛.郭兵.沈艷 Winbod W90P710評估板上μC/OS-II RTOS的移植 2008(7)

5. 毛德梅.何建忠.汪明珠 μC/OS- II中任務(wù)切換機(jī)理及中斷技術(shù)研究 2007(10)

6. 吳琦.熊光澤.廖勇 DVS 系統(tǒng)硬實(shí)時周期任務(wù)動態(tài)調(diào)度算法 [期刊論文] -電子科技大學(xué)學(xué)報2007(5)