在μC/OS Ⅱ上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

2.3 計(jì)算可運(yùn)行的最低頻率

處理器的頻率廠是和完成任務(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(shè)當(dāng)前處理器的運(yùn)行頻率為fcur，完成已經(jīng)就緒任務(wù)需要的時(shí)間為Tcur，使任務(wù)集可調(diào)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Tnew，則它們有如下關(guān)系：

即在某一時(shí)刻，滿足系統(tǒng)任務(wù)可調(diào)度的情況下，處理器頻率最低可以運(yùn)行在 FlexibleRatio•fcur。

3 DVS在μC/OS—II上的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)

3.1 DVS在μC/OS—II上實(shí)現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)第2節(jié)的分析，一個(gè)完整的DVS模塊應(yīng)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(diào)度的最低頻率的計(jì)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(jì)算和頻率的硬件設(shè)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(xiàn)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，下面詳細(xì)描述各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

3.2 更新DVS任務(wù)控制信息

為了讓系統(tǒng)知道每個(gè)任務(wù)的詳細(xì)情況，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中建立如下結(jié)構(gòu)體保存任務(wù)的信息：

該結(jié)構(gòu)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(yù)留的任務(wù)擴(kuò)展指針 OSTCBExtPtr指向該結(jié)構(gòu)體。這些信息必須在每一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍之后都有變化，因此它們必須在每一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍進(jìn)行更新。更新這部分信息的代碼被放在 OSTimeTickHook()函數(shù)中。

3.3 計(jì)算可運(yùn)行的最低電壓和頻率

計(jì)算可運(yùn)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(dāng)前任務(wù)使用，使當(dāng)前就緒的任務(wù)集以盡量低的電壓和頻率運(yùn)行。系統(tǒng)最開始運(yùn)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(zhí)行時(shí)間獲取任務(wù)TCB;

根據(jù)FlexibleRatio設(shè)置處理器的頻率

由于系統(tǒng)并不是時(shí)刻都需要?jiǎng)討B(tài)地去改變處理器的頻率和電壓，當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)中任務(wù)的就緒隊(duì)列發(fā)生變化的時(shí)候才需要重新計(jì)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(zhí)行。在本實(shí)驗(yàn)中，這部分代碼寫在μC/OS—II擴(kuò)展文件os_cpu_c.c中的OSTaskSwHook()函數(shù)中，同時(shí)在 OSIntCtxSw()中也用了這個(gè)函數(shù)。

3.4 設(shè)置處理器的頻率和電壓

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

3.5 快速查詢頻率和電壓

因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)的處理器并不支持連續(xù)地設(shè)置處理器的頻率，它們僅支持離散地設(shè)置處理器的頻率，所以按照公式(8)計(jì)算出來(lái)的頻率處理器可能并不支持。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程引入了頻率查詢表快速查詢高于計(jì)算結(jié)果的，且處理器支持的最低頻率。它的結(jié)構(gòu)如下：

根據(jù)計(jì)算出的FlexibleRatio，即可直接在查詢表中查詢到相應(yīng)的頻率值;但是計(jì)算出的 FlexibleRatio多為小數(shù)，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常將該表設(shè)計(jì)得比實(shí)際大10倍。查詢的時(shí)候先將FlexibleRatio乘以10后取整，然后再查表。

3.6 可裁減設(shè)計(jì)

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表示開啟DVS功能，為O表示關(guān)閉。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

改進(jìn)后的μC/0S—II使用ARM Develop Suit V1.2編譯后，在華邦的W90P710開發(fā)板上測(cè)試運(yùn)行。W90P710開發(fā)板支持4個(gè)等級(jí)的頻率調(diào)整。有關(guān)μC/OS-II在這塊板子上的移植請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)。

采用功率計(jì)HIOK13332測(cè)量改進(jìn)前后μC/OS—II在板子上運(yùn)行時(shí)的功耗。本測(cè)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(yàn)結(jié)果表明，使用DVS功能與不使用DVS功能相比，調(diào)節(jié)處理器的功耗下降41%。

5 結(jié) 論

本文的創(chuàng)新之處在于提出了一個(gè)DVS的實(shí)現(xiàn)模型，并在保持μC/OS—II原有的基于搶占的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度基礎(chǔ)上，在遵循可裁減、可移植的前提下，在其內(nèi)核中加入了支持動(dòng)態(tài)電壓管理的代碼配置和函數(shù)接口。經(jīng)測(cè)試，改進(jìn)后的μC/OS—II可以在W90P710上順利運(yùn)行。雖然本實(shí)驗(yàn)是針對(duì)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(xù)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(yīng)用中可以節(jié)省更多的能耗，設(shè)備的使用時(shí)間會(huì)更加長(zhǎng)久。

參考文獻(xiàn)