一種利用實時時鐘降低嵌入式系統(tǒng)功耗的方法

1.嵌入式CPU低功耗模式介紹

眾所周知，低功耗已經(jīng)是衡量一個嵌入式系統(tǒng)的重要指標。而作為嵌入式系統(tǒng)的核心，嵌入式CPU的功耗則對整個系統(tǒng)起著重要的作用。當(dāng)前流行的嵌入式系統(tǒng)CPU，基本都提供低功耗特性。一般而言，當(dāng)嵌入式CPU都會有工作模式與低功耗模式，而低功耗模式又可進一步分為空閑模式，休眠模式，睡眠模式等。進入低功耗模式后，CPU的功耗會降低很多。而外部中斷發(fā)生時，可以將CPU喚醒。一個嵌入式系統(tǒng)運行起來后，當(dāng)系統(tǒng)進入idle狀態(tài)時，就可以讓CPU進入低功耗模式，而當(dāng)外部中斷發(fā)生時，再喚醒CPU，重新回到工作模式。讓CPU盡可能多的處于低功耗模式，可以大大降低系統(tǒng)的功耗。然而，即使系統(tǒng)處于idle而且沒有別的工作要做，系統(tǒng)實時時鐘的中斷，也會不停的喚醒CPU，從而增加系統(tǒng)功耗。因此，可以考慮對系統(tǒng)實時時鐘的中斷進行修改，從而減少對系統(tǒng)功耗的影響。

2.系統(tǒng)實時時鐘與功耗的關(guān)系分析

在目前的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)實時時鐘一般是一個硬件循環(huán)計數(shù)器。當(dāng)硬件計數(shù)器計到一定數(shù)值時會向CPU發(fā)出中斷。系統(tǒng)實時時鐘是現(xiàn)代多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)的重要組成部分，因此我們需要先討論一下嵌入式操作系統(tǒng)與系統(tǒng)實時時鐘的關(guān)系。當(dāng)今的嵌入式操作系統(tǒng)一般都支持多任務(wù)，優(yōu)先級和時間片調(diào)度。

當(dāng)嵌入式OS運行起來后，一般都有一個IDLE任務(wù)，它的優(yōu)先級最低，而其他任務(wù)的優(yōu)先級都應(yīng)該比它高。在優(yōu)先級調(diào)度機制中，只有當(dāng)系統(tǒng)中其他高優(yōu)先級任務(wù)都處于阻塞狀態(tài)時，它才有機會運行。時間片調(diào)度機制只對同優(yōu)先級的任務(wù)有效。也就是說，不同優(yōu)先級的任務(wù)之間是不會按時間片調(diào)度輪轉(zhuǎn)的，而是按優(yōu)先級來調(diào)度的。因此當(dāng)系統(tǒng)進入IDLE任務(wù)時，可以認為系統(tǒng)中沒有工作要CPU來做，系統(tǒng)為idle狀態(tài)。當(dāng)時間片調(diào)度機制開啟后，嵌入式OS就會根據(jù)時間片來調(diào)度任務(wù)。

也就是當(dāng)一個時間片用完后，要運行調(diào)度器來決定下一個時間片的歸屬。時間片的基本單位是系統(tǒng)tick，而系統(tǒng)tick是以系統(tǒng)實時時鐘為基礎(chǔ)的。當(dāng)系統(tǒng)實時時鐘中斷產(chǎn)生時，CPU會將系統(tǒng)tick加1。每當(dāng)系統(tǒng)tick增加n(一個時間片)時，嵌入式OS將啟用調(diào)度器進行時間片調(diào)度。因此，當(dāng)時間片調(diào)度機制開啟后，就需要系統(tǒng)tick的實時更新和調(diào)度器的定時運行，也就需要實時時鐘中斷以很高的頻率定時產(chǎn)生。如果關(guān)閉時間片調(diào)度機制，則任務(wù)之間只需要按照優(yōu)先級來調(diào)度，這樣就不需要計算時間片，也就是系統(tǒng)tick不用實時更新，實時時鐘的中斷不必以很高的頻率產(chǎn)生，調(diào)度器也不用定時運行。這樣就有可能考慮延長實時時鐘的中斷間隔。

同時調(diào)度器不需要進行時間片調(diào)度，可以節(jié)省系統(tǒng)開銷。但關(guān)閉時間片調(diào)度后，系統(tǒng)就只有優(yōu)先級調(diào)度。這就要求系統(tǒng)的所有任務(wù)要主動阻塞，而不要期待調(diào)度器把同優(yōu)先級的其他任務(wù)調(diào)度出CPU而讓自己運行。在目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)中，一般都提供了很多主動阻塞的機制，因此要做到這一點并不難。延長實時時鐘的中斷間隔，可以讓CPU長期處于低功耗狀態(tài)，直到有設(shè)備中斷喚醒CPU。這樣將大大減低系統(tǒng)在空閑時的功耗。

延長實時時鐘中斷間隔后，需要考慮的問題有兩個，一是系統(tǒng)tick，另一個是系統(tǒng)delay。系統(tǒng)tick是實時時鐘和操作系統(tǒng)之間的接口，操作系統(tǒng)與時間相關(guān)的模塊和API，基本都是基于tick的。在一般系統(tǒng)中，實時時鐘的中斷是每個tick一次。因此tick是操作系統(tǒng)最小的計時單位。延長實時時鐘中斷間隔后，系統(tǒng)tick就會長時間不增加，因此怎樣保證系統(tǒng)tick的準確性，就是最基本的問題。解決了tick的準確性，就可以隔離實時時鐘對操作系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)delay是操作系統(tǒng)一種重要的阻塞機制，它主要用于讓一個任務(wù)主動讓出CPU一段時間。

一般系統(tǒng)delay是基于系統(tǒng)實時時鐘的，系統(tǒng)delay的基本單位就是tick。當(dāng)調(diào)用delay時，API函數(shù)會首先得到當(dāng)前系統(tǒng)tick，然后加上需要delay的時間，形成一個未來的delay時間點，再將任務(wù)掛到系統(tǒng)的delay隊列上。因此delay隊列上的所有任務(wù)都對應(yīng)一個自己的delay時間點。當(dāng)系統(tǒng)tick超過某個任務(wù)的delay時間點時，該任務(wù)就應(yīng)該醒來。這就需要實時時鐘的中斷來喚醒CPU，并運行調(diào)度器讓delay的任務(wù)重新進入就緒隊列。

如果實時時鐘中斷間隔延長，系統(tǒng)tick就會很長時間不增加，就很難保證delay的準確性。同時delay時間到達后，也無法喚醒任務(wù)。要保證系統(tǒng)tick的準確性，就要求每次主動獲得系統(tǒng)tick時，需要通過實時時鐘硬件計數(shù)器的值計算出當(dāng)前的系統(tǒng)tick。

同時，需要保證主動獲取和實時時鐘中斷之間的同步。而對于系統(tǒng)delay，則需要修改硬件計數(shù)器的計數(shù)值，使其為系統(tǒng)delay隊列上的最小delay時間點的delay時間。這樣可以利用硬件計數(shù)器來準確控制delay的準確性，并且利用中斷來及時調(diào)度任務(wù)。

3.在I.MX51上的解決方案：

ECOS是一款優(yōu)秀的輕量級嵌入式操作系統(tǒng)，它的內(nèi)核微小，緊湊，支持多任務(wù)，優(yōu)先級和時間片調(diào)度機制。飛思卡爾的多媒體芯片i.mx51基于ARM Cortex-A8核，具有很高的性能，同時支持了ARM提供的低功耗功能。ARM提供低功耗模式，即睡眠模式。ARM執(zhí)行指令WFI后，會進入睡眠狀態(tài)。

在睡眠模式下，ARM的時鐘被關(guān)閉，ARM只消耗極低的功耗來維護自身的狀態(tài)，即啟用SRPG(State retaining power gate)。當(dāng)有中斷發(fā)生時，ARM會被喚醒，恢復(fù)時鐘，重新開始執(zhí)行。MX51提供了多個硬件計數(shù)器，本文采用其中的GPT作為實時時鐘。GPT是一個循環(huán)計數(shù)器，可以設(shè)置最大為0xffffffff的計數(shù)值，每個時鐘計數(shù)值減1，當(dāng)計數(shù)值減到0時觸發(fā)中斷，時鐘為32KHz。GPT的計數(shù)值可以在任意時刻被ARM讀取，讀取是不影響計數(shù)的。

當(dāng)IDLE任務(wù)運行時，IDLE就執(zhí)行WFI指令，讓ARM進入低功耗模式。如果有設(shè)備產(chǎn)生中斷，ARM就會被喚醒，處理中斷以及所需的任務(wù)調(diào)度，任務(wù)運行?；谇懊娴姆治?，本文對ECOS的時間片調(diào)度和實時時鐘系統(tǒng)進行了修改。對于時間片調(diào)度機制，在ECOS的配置文件中將其關(guān)閉。對于實時時鐘，則延長了它的中斷間隔。系統(tǒng)tick在兩種情況下會被更新，一種是當(dāng)調(diào)用ECOS API去讀系統(tǒng)tick的時候，另一種就是GPT產(chǎn)生中斷。當(dāng)ECOS啟動后，將GPT的計數(shù)值設(shè)為最大，這樣GPT就需要很長時間才會產(chǎn)生一次中斷。在這期間，系統(tǒng)tick只會在ECOS API主動讀取時才會更新。系統(tǒng)tick的更新是通過讀取硬件計數(shù)器的計數(shù)值計算出來的。