在μC／OS―II上實(shí)現動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)

摘要 為了實(shí)現嵌入式實(shí)時(shí)操作系統對DVS的支持，本文在分析軟硬件兩方面節能原理的基礎上，提出了一個(gè)在實(shí)際應用中實(shí)現DVS的通用模型。該模型在μC／0S―II上得到了具體的實(shí)現。實(shí)現后的μC／OS―II被移植到支持離散頻率調整的開(kāi)發(fā)板W90P710上。實(shí)驗結果表明，改進(jìn)后的μC／OS―II節能效果顯著(zhù)。
關(guān)鍵詞 電源管理 動(dòng)態(tài)電壓調整 節能技術(shù) 低功耗 μC／OS―II

引 言
現代社會(huì )中，便攜式系統(如手機和個(gè)人媒體播放器)正在演變成綜合性多媒體和通信系統。新的應用程序，如游戲、數字電視、高速I(mǎi)nternet，已經(jīng)成為終端用戶(hù)產(chǎn)品中的一項普通功能。然而，復雜的功能需要功能強大的處理器，如智能手機中已集成了模擬基帶、數字基帶、圖像處理器和CPU等多個(gè)分處理器，但這些分處理器并不是任何時(shí)刻都是滿(mǎn)負載運轉的，它們在很多時(shí)候都處于閑置狀態(tài)。因此，對于依靠電池供電的便攜式設備，如何根據系統的工作狀態(tài)調整各個(gè)處理器的功耗水平從而節省電能便成了一個(gè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。
μC／OS―II作為一個(gè)源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，可以支持64個(gè)任務(wù)，同時(shí)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。該操作系統用ANSI C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，程序可讀性強，移植性好，可裁減，并已在通信、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域的嵌入式設備中獲得了廣泛的應用，但是它的內核并不支持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(dòng)態(tài)的離散電壓管理，保證μC／OS―II在新要求下的應用，使嵌入式設備的電量能夠得到充分的使用。

1 DVS在μC／OS―II上應用的理論基礎
1．1 DVS應用的硬件基礎
動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)(DVS)是這樣一種技術(shù)：在保證系統任務(wù)完成的情況下，使處理器運行在盡可能低的電壓上。它的基本思想是，當系統需要完成大量計算任務(wù)時(shí)，提高處理器的電壓以增加其處理速度；而當系統任務(wù)較少或處于空閑狀態(tài)時(shí)，降低處理器的電壓，這樣既可以保證系統任務(wù)的按時(shí)完成，同時(shí)又可降低處理器的能量消耗。該節能技術(shù)的理論依據來(lái)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，分別表示門(mén)電路的電能轉換效率和門(mén)電路在整個(gè)設備中所占的比例；tTask表示系統中任務(wù)的個(gè)數。根據式(1)可知，通過(guò)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(huì )根據處理器頻率的變化自動(dòng)變化。一般來(lái)說(shuō)，處理器的電壓會(huì )隨著(zhù)頻率的降低而降低，因此，動(dòng)態(tài)電壓技術(shù)實(shí)際上是對頻率的調整。本文中如不作特別聲明，調整頻率即意味調整電壓。
1. 2 DVS應用的軟件基礎
由于μC／OS―II是一個(gè)基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調度內核，為了保證低優(yōu)先級任務(wù)能夠得到處理器的執行，本文假定系統中用戶(hù)定義的所有任務(wù)都遵循如下的結構：

假設系統里有兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間為0．5 s，周期為10 s；另一個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間為1 s，周期為5 s。這兩個(gè)任務(wù)的調度過(guò)程如圖l所示，這時(shí)系統中存在大量的松弛時(shí)間。

如果在程序運行過(guò)程中降低處理器的頻率，處理器的運行電壓也會(huì )因此變低。當處理器的頻率變化為最高頻率的1／4時(shí)，其任務(wù)調度過(guò)程如圖2所示。

由圖2可以知道，當處理器的頻率變化為正常的1／4時(shí)，系統任務(wù)仍然可以正常運行。這時(shí)，處理器的電壓下降了，根據式(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)先級搶占的調度策略，每個(gè)任務(wù)執行一段時(shí)間之后，都會(huì )主動(dòng)放棄CPU的使用，從而使低優(yōu)先級的任務(wù)能夠得到執行。同時(shí)，由于任務(wù)放棄CPU進(jìn)行延時(shí)操作，任務(wù)間會(huì )因此而產(chǎn)生松弛時(shí)間，而DVS功能就是利用這段松弛時(shí)問(wèn)，降低處理器的執行速度而完成任務(wù)的。本文研究的重點(diǎn)就是改進(jìn)μC／OS―II，使它能夠根據系統中任務(wù)運行產(chǎn)生的松弛時(shí)間的情況，自動(dòng)設置處理器的頻率，降低電壓，從而降低處理器的功耗。