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

2.3 計算可運行的最低頻率

處理器的頻率廠(chǎng)是和完成任務(wù)需要的時(shí)間T成正比的。它們之間遵循如下關(guān)系：

假設當前處理器的運行頻率為fcur，完成已經(jīng)就緒任務(wù)需要的時(shí)間為T(mén)cur，使任務(wù)集可調度的最低頻率為fnew，以及在新的頻率下完成就緒任務(wù)的時(shí)間為T(mén)new，則它們有如下關(guān)系：

即在某一時(shí)刻，滿(mǎn)足系統任務(wù)可調度的情況下，處理器頻率最低可以運行在 FlexibleRatio•fcur。

3 DVS在μC/OS—II上的詳細實(shí)現

3.1 DVS在μC/OS—II上實(shí)現的整體結構

根據第2節的分析，一個(gè)完整的DVS模塊應包括兩大部分：一部分是更新DVS任務(wù)控制信息，另外一部分是可調度的最低頻率的計算。其中，第二個(gè)部分又可以分為兩個(gè)層次，即最低頻率的計算和頻率的硬件設置部分，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)現總體結構如圖3所示，下面詳細描述各個(gè)部分的實(shí)現過(guò)程。

3.2 更新DVS任務(wù)控制信息

為了讓系統知道每個(gè)任務(wù)的詳細情況，實(shí)現過(guò)程中建立如下結構體保存任務(wù)的信息：

該結構體作為任務(wù)控制塊的一部分，在任務(wù)創(chuàng )建時(shí)，將μC/OS—II自身預留的任務(wù)擴展指針 OSTCBExtPtr指向該結構體。這些信息必須在每一個(gè)時(shí)鐘節拍之后都有變化，因此它們必須在每一個(gè)時(shí)鐘節拍進(jìn)行更新。更新這部分信息的代碼被放在 OSTimeTickHook()函數中。

3.3 計算可運行的最低電壓和頻率

計算可運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(shí)間給當前任務(wù)使用，使當前就緒的任務(wù)集以盡量低的電壓和頻率運行。系統最開(kāi)始運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(gè)任務(wù)就緒的時(shí)間

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

根據FlexibleRatio設置處理器的頻率

由于系統并不是時(shí)刻都需要動(dòng)態(tài)地去改變處理器的頻率和電壓，當且僅當系統中任務(wù)的就緒隊列發(fā)生變化的時(shí)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(guò)程中和中斷返回時(shí)執行。在本實(shí)驗中，這部分代碼寫(xiě)在μC/OS—II擴展文件os_cpu_c.c中的OSTaskSwHook()函數中，同時(shí)在 OSIntCtxSw()中也用了這個(gè)函數。

3.4 設置處理器的頻率和電壓

由于設置處理器的頻率和電壓是與操作系統所運行的硬件平臺相關(guān)的，不同的處理器設置處理器頻率和電壓的方法不盡相同，所以本實(shí)驗在改進(jìn)μC/OS—II的時(shí)候并沒(méi)有將這部分代碼寫(xiě)入內核，而是提供了擴展接口setCPUAtSpecifledVolAndFreq(voltage，frequency)供移植時(shí)使用。該函數用于設置處理器的電壓和頻率為指定的電壓和頻率。其中，參數voltage和frequency分別表示電壓和頻率。

3.5 快速查詢(xún)頻率和電壓

因為目前大多數的處理器并不支持連續地設置處理器的頻率，它們僅支持離散地設置處理器的頻率，所以按照公式(8)計算出來(lái)的頻率處理器可能并不支持。本實(shí)驗在實(shí)現過(guò)程引入了頻率查詢(xún)表快速查詢(xún)高于計算結果的，且處理器支持的最低頻率。它的結構如下：

根據計算出的FlexibleRatio，即可直接在查詢(xún)表中查詢(xún)到相應的頻率值;但是計算出的 FlexibleRatio多為小數，故在實(shí)際應用時(shí)常將該表設計得比實(shí)際大10倍。查詢(xún)的時(shí)候先將FlexibleRatio乘以10后取整，然后再查表。

3.6 可裁減設計

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(guò)宏定義變量0S_PM_DVS_EN來(lái)啟用和關(guān)閉。OS_PM_DVS_EN為1表示開(kāi)啟DVS功能，為O表示關(guān)閉。

4 測試實(shí)驗

改進(jìn)后的μC/0S—II使用ARM Develop Suit V1.2編譯后，在華邦的W90P710開(kāi)發(fā)板上測試運行。W90P710開(kāi)發(fā)板支持4個(gè)等級的頻率調整。有關(guān)μC/OS-II在這塊板子上的移植請查閱參考文獻。

采用功率計HIOK13332測量改進(jìn)前后μC/OS—II在板子上運行時(shí)的功耗。本測試案例創(chuàng )建了兩個(gè)任務(wù)。這兩個(gè)任務(wù)的屬性如表1所列。

實(shí)驗結果表明，使用DVS功能與不使用DVS功能相比，調節處理器的功耗下降41%。

5 結 論

本文的創(chuàng )新之處在于提出了一個(gè)DVS的實(shí)現模型，并在保持μC/OS—II原有的基于搶占的靜態(tài)優(yōu)先級調度基礎上，在遵循可裁減、可移植的前提下，在其內核中加入了支持動(dòng)態(tài)電壓管理的代碼配置和函數接口。經(jīng)測試，改進(jìn)后的μC/OS—II可以在W90P710上順利運行。雖然本實(shí)驗是針對離散的頻率和電壓進(jìn)行的，但改進(jìn)的μC/0S—II仍然可以支持連續電壓和頻率下的動(dòng)態(tài)管理。通過(guò)以上改進(jìn)，μC/0S—II在實(shí)際應用中可以節省更多的能耗，設備的使用時(shí)間會(huì )更加長(cháng)久。

參考文獻