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

作者: 時(shí)間:2009-07-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
0 引 言
在當(dāng)今普遍使用的手持式移動(dòng)設(shè)備中,如何降低嵌入式系統(tǒng)的、延長電池使用的時(shí)間等問題一直是困擾開發(fā)人員的一個(gè)難題。大量的不僅導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備的待機(jī)時(shí)間縮短,還會導(dǎo)致芯片熱量增加,降低可靠性,而且也會增加散熱系統(tǒng)的成本。待機(jī)時(shí)間問題雖然可以通過提高電池容量解決,但實(shí)際情況是嵌入式系統(tǒng)的增長超過電池技術(shù)的發(fā)展,因此單純依靠電池技術(shù)的發(fā)展是不可能在短期內(nèi)解決現(xiàn)在正遇到的功耗問題。
CMOS邏輯電路被認(rèn)為是現(xiàn)今最通用的大規(guī)模集成電路技術(shù),因?yàn)镃MOS可以高度集成,并具有低功耗、輸入電流小等特性,而且從理論上,理想的CMOS電路的靜態(tài)功耗可以認(rèn)為是零,是一種“理想”的邏輯器件。但實(shí)際的CMOS器件依然需要消耗功率,而且頻率越高,消耗的動(dòng)態(tài)功耗越高。雖然芯片的封裝、使用散熱片和風(fēng)扇能夠散掉芯片和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量,然而隨著芯片和系統(tǒng)尺寸持續(xù)地增加,要提供充分的散熱就必須付出更多的代價(jià),而且系統(tǒng)的尺寸也會增加,散熱系統(tǒng)的機(jī)械部分也會降低系統(tǒng)的可靠性。
嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件共同組成,因此降低嵌入式系統(tǒng)功耗的方法也有硬件方法和軟件方法。本文以移植到凌陽16位處理器μ′上的嵌入式μCOS-Ⅱ?yàn)槔?,使用凌陽公司提供的SPCE061A開發(fā)板,討論如何利用μCOS-Ⅱ給出的內(nèi)核擴(kuò)展接口,實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗的嵌入式系統(tǒng)。

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?。粍?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,因此也是主要的對象。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))。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/152443.htm

2 μCOS-Ⅱ和凌陽處理器μ′簡介
μCOS-Ⅱ是一個(gè)簡單、高效的嵌入式內(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、信號量、塊大小固定的內(nèi)存的申請與釋放、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。優(yōu)先級越高,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′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)先級最高的任務(wù)。一旦優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài),就可以將CPU從低優(yōu)先級任務(wù)中搶過來。在μCOS-Ⅱ初始化時(shí),會建立一個(gè)優(yōu)先級最低的任務(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)就會開始運(yùn)行。空閑任務(wù)會調(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。

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