基于嵌基于μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的低功耗開(kāi)發(fā)

　　本文將依次從系統硬件設計、系統軟件設計、利用μC／OS-II給出的內核擴展接口和產(chǎn)品應用特點(diǎn)這四個(gè)方面系統地討論低功耗系統設計。

　　3.2 硬件低功耗設計

　　3.2.1 低功耗設計的器件

　　選擇低功耗的電子器件可以從根本上降低整個(gè)硬件系統的功耗。嵌入式處理器是嵌入式系統的硬件核心，消耗大量的功率，因此設計時(shí)應選用低功耗的處理器；另外，選擇低功耗的通信收發(fā)器(對于通信應用系統)、低功耗的外圍電路。

　　本文中使用的微控制器是夏普公司的LH79520。LH79520有五種工作模式，分別是：運行模式、休眠模式、睡眠模式、停止模式1、停止模式2。處于不同的工作模式下，微控制器消耗的功率不同，處于運行模式的微控制器消耗的功率最多，處于停止模式2的微控制器消耗的功率最少。

　　3.2.2 低功耗電路

　　目前的半導體工藝主要有TTL工藝和CMOS工藝，CMOS工藝具有很低的功耗，在電路設計上盡量選用，使用CMLS系列電路時(shí)，其不用的輸入端不要懸空，因為懸空的輸入端可能存在的感應信號造成高低電平的轉換，轉換器件的功耗很大，盡量采用輸出為高的原則。同時(shí)盡量使用集成度高的器件，減少電路中使用的元件的個(gè)數，從而減少整機的功耗。

　　3.2.3 分區／分時(shí)供電技術(shù)

　　一個(gè)嵌入式系統的所有組成部分并非時(shí)刻在工作，基于此，可采用分時(shí)／分區供電技術(shù)。原理是利用“開(kāi)關(guān)”控制電源供電單元，在某一部分電路處于休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉其供電電源，僅保留工作部分的電源。

　　本文使用的硬件平臺，使用了TI公司的直流電源轉換芯片TPS5430，給其他輔助板和主控板上的外設提供電源。

　　3.2.4 降低處理器的時(shí)鐘頻率

　　處理器的工作頻率和功耗的關(guān)系很大，頻率越高，功耗越大?？梢詣?dòng)態(tài)改變處理器的時(shí)鐘以降低系統的總功耗。微控制器空閑時(shí)降低時(shí)鐘頻率；處于工作狀態(tài)時(shí)，提高時(shí)鐘頻率，全速運行處理事務(wù)。

　　本文使用的硬件平臺的控制板所使用的時(shí)鐘，使用了外部晶振和鎖相環(huán)技術(shù)，可以在很寬的范圍內調整系統時(shí)鐘。

　　3.3 軟件部分的設計

　　至今，還沒(méi)有一個(gè)嚴格的標準來(lái)判斷一個(gè)軟件的低功耗特性，但是，設計者仍需盡量將應用的低功耗特性反映在軟件中，以避免那些“看不見(jiàn)”的功耗損失。

　　3.3.1 中斷與查詢(xún)

　　一個(gè)程序使用中斷方式還是查詢(xún)方式對于一些簡(jiǎn)單的應用并不那么重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠。使用中斷方式，微控制器可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢(xún)方式下，微控制器必須不停地訪(fǎng)問(wèn)I／O寄存器，這會(huì )帶來(lái)很多額外的功耗。

　　本文是通過(guò)中斷通信方式與片上的兩個(gè)串口資源進(jìn)行通信，而非采用查詢(xún)的方式，減少了串口占用處理器的工作時(shí)間，有效地降低了系統的功耗。

　　3.3.2 宏的使用

　　讀RAM會(huì )比讀Flash帶來(lái)更大的功耗，正是因為如此，低功耗性能突出的ARM微控制器在設計上僅允許一次子程序調用。因為微控制器進(jìn)入子程序時(shí)，會(huì )首先將當前微控制器寄存器推入堆棧(RAM)，在離開(kāi)時(shí)又將微控制器寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來(lái)兩次對RAM的操作。因此，考慮用宏定義來(lái)代替子程序調用。調用一個(gè)子程序還是一個(gè)宏在程序寫(xiě)法上并沒(méi)有什么不同，但宏會(huì )在編譯時(shí)展開(kāi)，微控制器只是順序執行指令，避免了調用子程序。這實(shí)際上是一種以空間換時(shí)間的思想。這樣做，不儀提高了程序的執行效率，同時(shí)可以減少系統的功耗。

　　3.3.3 減少微控制器的運算量

　　將一些運算的結果預先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計算，減少微控制器的運算工作量，可以有效地降低微控制器的功耗；不可避免的實(shí)時(shí)計算，算到精度夠了就結束，避免“過(guò)度”的計算；盡量使用短的數據類(lèi)型，在精度允許的情況下，使用簡(jiǎn)單函數代替復雜函數作近似，也可以減少功耗。

　　3.3.4 減少微處理器的工作時(shí)間

　　盡量減少CPU的全速運行時(shí)間以降低系統的功耗，使微控制器較長(cháng)地處于空閑方式或掉電方式是用軟件設計降低系統功耗的關(guān)鍵。讓它盡量在短時(shí)間內完成對信息或數據的處理，然后就進(jìn)入空閑或掉電方式，在關(guān)機狀態(tài)下讓它完全進(jìn)入掉電方式，用定時(shí)中斷、外部中斷或系統復位將它喚醒。

　　3.4 基于μC／OS-II內核擴展接口的低功耗模式

　　利用任務(wù)調度的空閑時(shí)間使微控制器進(jìn)入低功耗模式，以降低系統功耗這一思想在μC／OS-II內核設計之初就被注意到了。為此設計者特意留出了相應的內核擴展接口。用戶(hù)可以利用此接口，實(shí)現一個(gè)實(shí)時(shí)的低功耗系統。

　　3.4.1、μC／OS-II的空閑任務(wù)擴展接口

　　實(shí)現μC／OS-II低功耗特性的方法：利用μC／OS-II中空閑任務(wù)的擴展接口，使系統在空閑狀態(tài)下進(jìn)入某種低功耗模式，降低系統功耗；利用時(shí)鐘節拍(本文使用LH79520內部定時(shí)器0作為時(shí)鐘節拍)，周期性地喚醒CPU。CPU被喚醒之后，將執行節拍中斷服務(wù)程序，重新判斷是否有任務(wù)處于就緒態(tài)，如果有，就執行該任務(wù)；如果沒(méi)有，則重復上面的過(guò)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。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屬于可剝奪型內核，也就是說(shuō)，μC／OS-II總是運行進(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(guò)來(lái)。在μC／OS-II初始化時(shí)，會(huì )建立一個(gè)優(yōu)先級最低的任務(wù)――空閑任務(wù)，在沒(méi)有任務(wù)進(jìn)人就緒態(tài)的時(shí)候，空閑任務(wù)就會(huì )開(kāi)始運行?？臻e任務(wù)會(huì )調用一個(gè)函數――OSTaskI-dleHook()。這是留給用戶(hù)使用的內核擴展接口?？臻e任務(wù)實(shí)際上并沒(méi)有什么事情可做，只是一個(gè)等待中斷的無(wú)限循環(huán)。因此用戶(hù)可以利用OSTaskIdleHook()，使CPU進(jìn)入低功耗模式。