μC/OS－II內核擴展接口的低功耗模式

引言

隨著(zhù)消費類(lèi)電子產(chǎn)品的功能日益復雜，在其中移植或固化實(shí)時(shí)操作系統已不是新鮮事了，如手機、pda等等。對于該類(lèi)產(chǎn)品，低功耗特性往往占有舉足輕重的地位。如何在操作系統層面上，盡量降低系統功耗，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式cpu都具有低功耗的工作模式，如果在任務(wù)調度的空閑時(shí)間，使cpu進(jìn)入這種模式，就能大幅度降低系統功耗。

本文以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μc/os－ii在飛思卡爾8位單片機hcs08gt60上的移植為例，詳細討論如何利用μc/os－ii給出的內核擴展接口，實(shí)現一個(gè)低功耗的嵌入式實(shí)時(shí)系統，進(jìn)一步分析如何選擇一種合適的低功耗模式。

μc/os－ii是一種可移植、可固化、可裁剪的可剝奪型多任務(wù)內核。由于其源碼公開(kāi)、注釋詳盡、內核設計概念清晰，已成為世界上學(xué)習和使用頻率較高的實(shí)時(shí)操作系統。2000年7月，μc/os－ii v2.52通過(guò)了美國航空航天管理局的安全認證，其可靠性得到了進(jìn)一步的驗證。

利用任務(wù)調度的空閑時(shí)間使cpu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。

1 利用空閑任務(wù)擴展接口使cpu進(jìn)入低功耗模式

實(shí)現μc/os－ii低功耗特性的方法很簡(jiǎn)單：用戶(hù)可以利用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，同時(shí)利用rti信號作為時(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)入就緒態(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--ostaskidlehook（）。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①，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。

用戶(hù)不必擔心整個(gè)內核因為系統進(jìn)入低功耗模式而停止運行，因為hcs08gt60允許rti時(shí)鐘周期性地將cpu喚醒。喚醒之后的系統會(huì )和遇到節怕中斷一樣，進(jìn)入ostickisr（）中斷服務(wù)程序，察看之是否有任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)。如果還沒(méi)有，就再次進(jìn)入低功耗模式。

對于hcs08gt60，允許rti時(shí)鐘的低功耗模式有wait模式，stop2模式和stop3模式三種，其功耗、系統恢復時(shí)間，換醒中斷源等各不相同。下面介紹如何選擇一種合適的低功耗模式。

2 選擇合適的低功耗模式

2.1 hcs08gt60的低功耗模式

考慮到后面的討論要涉及到具體的低功耗模式，所以首先介紹一下單片機hcs08gt60的低功耗特性，hcs08gt60屬于飛思卡爾（原motorola）hcs80系列單片機。該系列單片機的低功耗特性很突出；工作電壓可以在1.8－3.6v之間選擇，有wait和stop兩種低功耗模式。stop模式可細分為stop3、、stop2和stop1三種，功耗主次降低。wait模式下，cpu停止運行，但其他外圍模塊并不斷電，因此，系統隨時(shí)可以響應各種中斷。hcs08gt60的三種stop模式如表1所列。

從表1可以看出，在stop1模式中，喚醒cpu只能通過(guò)irq中斷或復位信號，由于無(wú)法提供時(shí)鐘節怕，內核的任務(wù)調度無(wú)法實(shí)現；而在stop2和stop3中，rti都可以作為系統的喚醒中斷源，內核可以使用rti作為時(shí)鐘節拍。

stop2模式與stop3模式相比功耗更低；但是，stop2模式下i/o寄存器是關(guān)閉的，必須在進(jìn)入模式之前將i/o寄存器的值保存在ram中，而在喚醒之后再從ram拷貝到i/o寄存器。喚醒stop2可以使用irq，復位信號和rti。stop3模式下，ram和i/o寄存器內容將保持。另外，除stop2模式允許的喚醒中斷源外，還允許鍵盤(pán)中斷喚醒cpu。

2.2 實(shí)時(shí)性、中斷源和功耗

影響低功耗模式的選擇有三個(gè)主要因素：功耗、中斷源和實(shí)時(shí)性。

（1）功耗

前文中已經(jīng)提到，適用于μc/os－ii的低功耗模式（即允許rti喚醒）有三種：wait模式、stop3模式和stop2模式。系統在這三種模式下的功耗逐漸降低。表2列出了3.12v供電下，三種模式的典型功耗。

μc/os－ii為用戶(hù)提供了一個(gè)統計任務(wù)，用以計算cpu的利用率，并保存在變量oscpuusage（％）中。用戶(hù)可以在加入低功耗處理前②，使用統計任務(wù)計算出cpu利用率，從而粗略地估算出系統的功耗。

假設系統正常運行時(shí)，消耗電流為1ma，cpu利用率是1％，則以下是選擇三種不同低功耗模式后的消耗電流。

stop2：1ma×1％＋890na×99％＝10.881μa，系統功耗降低98.9％。
stop3③：1ma×1％＋14.5μa×99％＝24.355μa，系統功耗降低97.6％。
wait：1ma×1％＋560μa×99％＝564.4μa，系統功耗降低43.6％。
系統功耗當然越小越好，但考慮到其他因素時(shí)，系統功耗就未必能夠達到最低了。

（2）中斷源

系統用到的中斷源限制了低功耗模式的使用。為了保證μc/os－ii正常運行，系統所用到的中斷必須能夠喚醒處于低功耗模式下的cpu。
wait模式雖然功耗較大，但能夠響應任務(wù)中斷源；stop3模式下，系統保留了rti、irq、kbi和復位作為喚醒中斷；而在stop2模式下，只有irq、復位和rti可以喚醒系統。

（3）實(shí)時(shí)性

毫無(wú)疑問(wèn)，使cpu進(jìn)入低功耗模式會(huì )減弱系統的實(shí)時(shí)性。這種減弱來(lái)自于兩個(gè)方面，一是使中斷響應時(shí)間變長(cháng)；二是使響應的時(shí)間變得不易預測。
當系統從低功耗模式中被喚醒后，時(shí)鐘往往需要一段時(shí)間穩定，有時(shí)候還需要軟件做內核運行環(huán)境的恢復工作（如stop2下的寄存器恢復），中斷的響應時(shí)間就被拉長(cháng)了。同時(shí)，由于時(shí)鐘恢復的時(shí)間和供電電壓、時(shí)鐘源、環(huán)境溫度都有密切的關(guān)系，實(shí)際上不可能給出一個(gè)準確的恢復時(shí)間，中斷響應的時(shí)間有就變得不易預測了。在實(shí)時(shí)系統中，響應時(shí)間的不可預測往往比響應得慢更為致命，一個(gè)響應速率時(shí)快時(shí)慢的系統只能以最壞的情況作估計。所幸的是，大多數低功耗應用（如手機、pda等）都不是硬實(shí)時(shí)系統，換句話(huà)說(shuō)，并沒(méi)有一個(gè)絕對的響應時(shí)間限制。大多數情況下，采用低功耗處理所帶來(lái)的實(shí)時(shí)性減弱可以被忍受。

wait模式對響應的時(shí)間影響最小。由于沒(méi)有停止系統時(shí)鐘，wait模式對中斷響應基本都是同步的。

stop3模式恢復的時(shí)間和時(shí)鐘設置關(guān)系很大，除了fbe時(shí)鐘方案外（使用外時(shí)鐘、不使用鎖相環(huán)）恢復時(shí)間都在100μs左右，如果采用fbe，恢復時(shí)間就和晶振頻率密切相關(guān)了。一般32khz晶振需要180－300ms恢復穩定，假如在stop3模式下將晶振保持打開(kāi)，則只需要2.42ms。

stop2模式的恢復時(shí)間在50μs④左右。但是，因為需要將在ram中保存的i/o寄存器恢復，可能另外還需要幾十個(gè)指令周期。

表面上stop2的恢復時(shí)間比stop3的恢復時(shí)間短，但是考慮到進(jìn)入stop2之后rti時(shí)鐘源會(huì )從外部晶振調整為內部晶振，最多可能與實(shí)際系統相差1個(gè)時(shí)鐘節拍。

3 μc/os－ii在hcs08gt60上的移植

μc/os－ii的95％代碼是由ansi c寫(xiě)成的，具有很好的移植性。如何移植μc/os－ii可以參閱文獻[1]。這里只強調一下時(shí)鐘節拍的選擇。

為了實(shí)現時(shí)間延時(shí)和確認超時(shí)，μc/os－ii需要提供一個(gè)10－100hz的周期性信號。我們選擇實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷（rti）作為μc/os－ii時(shí)鐘。這主要是考慮在hcs08gt60處于wait或者stop2/3模式下，rti仍然可以作為喚醒系統的中斷源。需要注意，在運行和等待模式下，rti的時(shí)鐘只能由外部晶振提供；在stop3模式下，rti時(shí)鐘可以由外部晶振或是內部晶振提供；在stop2模式下，rti只能由內部時(shí)鐘提供。為了盡量不改動(dòng)時(shí)鐘源，建議使用1個(gè)32.768khz的外部晶振提供系統時(shí)鐘和rti時(shí)鐘，在運行、wait和stop3模式下，rti的時(shí)鐘源始終不變，而在stop2模式下，用戶(hù)只能使用內部時(shí)鐘發(fā)生器提供的rti時(shí)鐘源。

4.結論

仔細分析1個(gè)低功耗實(shí)時(shí)系統會(huì )發(fā)現，有很多因素左右著(zhù)系統功耗，各因素之間往往會(huì )相互影響，相互制約。例如，為了保證實(shí)時(shí)性，盡量不改動(dòng)時(shí)鐘設置，使用了32.768khz的外部晶振作為rti時(shí)鐘源，并利用鎖相環(huán)將該頻率升高，作為系統總線(xiàn)時(shí)鐘。從操作系統角度分析，cpu可以進(jìn)入低功耗模式，系統功耗降低了。但是，因為使用了鎖相環(huán)，也會(huì )給系統帶來(lái)額外的功耗。對于一個(gè)實(shí)際系統，這種做法到底是提高還是降低了系統功耗，只能通過(guò)cpu占用率、節拍頻率等條件具體分析了。

因此，要選擇一套合理的軟硬件設置來(lái)降低功耗，就必須全盤(pán)考慮，不能僅僅局限于操作系統的角度。