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
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201609/304522.htm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。
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