μC/OS－II內核擴展接口的低功耗模式

引言

隨著消費類電子產品的功能日益復雜，在其中移植或固化實時操作系統已不是新鮮事了，如手機、pda等等。對于該類產品，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，是一個值得探討的問題。一般來說，嵌入式cpu都具有低功耗的工作模式，如果在任務調度的空閑時間，使cpu進入這種模式，就能大幅度降低系統功耗。

本文以嵌入式實時操作系統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，實現一個低功耗的嵌入式實時系統，進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內核。由于其源碼公開、注釋詳盡、內核設計概念清晰，已成為世界上學習和使用頻率較高的實時操作系統。2000年7月，μc/os－ii v2.52通過了美國航空航天管理局的安全認證，其可靠性得到了進一步的驗證。

利用任務調度的空閑時間使cpu進入低功耗模式，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，用戶可以利用此接口，實現一個實時的低功耗系統。

1 利用空閑任務擴展接口使cpu進入低功耗模式

實現μc/os－ii低功耗特性的方法很簡單：用戶可以利用μc/os－ii中空閑任務的擴展接口，使系統在空閑狀態(tài)下進入某種低功耗模式，降低系統功耗，同時利用rti信號作為時鐘節(jié)拍，周期性地喚醒cpu。cpu被喚醒之后，將執(zhí)行節(jié)拍中斷服務程序，重新判斷是否有任務處于就緒態(tài)，如果有，就執(zhí)行該任務；如果沒有，則重復上面的過程。

μc/os－ii最多可以管理64個任務，并為每一個任務分配一個不同的優(yōu)先級。每一個任務有五種可能的狀態(tài)--睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)和中斷服務態(tài)。μc/os－ii屬于可剝奪型內核，也就是說，μc/os－ii總是運行進入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務。一旦優(yōu)先級高的任務進入就緒態(tài)，就可以將cpu從低優(yōu)先級任務中搶過來。

在μc/os－ii初始化時，會建立一個優(yōu)先級最低的任務--空閑任務，在沒有任務進入就緒態(tài)的時候，空閑任務就會開始運行。空閑任務會調用一個函數--ostaskidlehook（）。這是留給用戶使用的內核擴展接口?？臻e任務實際上并沒有什么事情可做①，只是一個等待中斷的無限循環(huán)。因此用戶可以利用ostaskidlehook（），使cpu進入低功耗模式。

用戶不必擔心整個內核因為系統進入低功耗模式而停止運行，因為hcs08gt60允許rti時鐘周期性地將cpu喚醒。喚醒之后的系統會和遇到節(jié)怕中斷一樣，進入ostickisr（）中斷服務程序，察看之是否有任務進入了就緒態(tài)。如果還沒有，就再次進入低功耗模式。

對于hcs08gt60，允許rti時鐘的低功耗模式有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irq中斷或復位信號，由于無法提供時鐘節(jié)怕，內核的任務調度無法實現；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作為時鐘節(jié)拍。

stop2模式與stop3模式相比功耗更低；但是，stop2模式下i/o寄存器是關閉的，必須在進入模式之前將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，還允許鍵盤中斷喚醒cpu。

2.2 實時性、中斷源和功耗

影響低功耗模式的選擇有三個主要因素：功耗、中斷源和實時性。

（1）功耗

前文中已經提到，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為用戶提供了一個統計任務，用以計算cpu的利用率，并保存在變量oscpuusage（％）中。用戶可以在加入低功耗處理前②，使用統計任務計算出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，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，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）實時性

毫無疑問，使cpu進入低功耗模式會減弱系統的實時性。這種減弱來自于兩個方面，一是使中斷響應時間變長；二是使響應的時間變得不易預測。
當系統從低功耗模式中被喚醒后，時鐘往往需要一段時間穩(wěn)定，有時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），中斷的響應時間就被拉長了。同時，由于時鐘恢復的時間和供電電壓、時鐘源、環(huán)境溫度都有密切的關系，實際上不可能給出一個準確的恢復時間，中斷響應的時間有就變得不易預測了。在實時系統中，響應時間的不可預測往往比響應得慢更為致命，一個響應速率時快時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）都不是硬實時系統，換句話說，并沒有一個絕對的響應時間限制。大多數情況下，采用低功耗處理所帶來的實時性減弱可以被忍受。

wait模式對響應的時間影響最小。由于沒有停止系統時鐘，wait模式對中斷響應基本都是同步的。

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

stop2模式的恢復時間在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指令周期。

表面上stop2的恢復時間比stop3的恢復時間短，但是考慮到進入stop2之后rti時鐘源會從外部晶振調整為內部晶振，最多可能與實際系統相差1個時鐘節(jié)拍。

3 μc/os－ii在hcs08gt60上的移植

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

為了實現時間延時和確認超時，μc/os－ii需要提供一個10－100hz的周期性信號。我們選擇實時時鐘中斷（rti）作為μc/os－ii時鐘。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的時鐘只能由外部晶振提供；在stop3模式下，rti時鐘可以由外部晶振或是內部晶振提供；在stop2模式下，rti只能由內部時鐘提供。為了盡量不改動時鐘源，建議使用1個32.768khz的外部晶振提供系統時鐘和rti時鐘，在運行、wait和stop3模式下，rti的時鐘源始終不變，而在stop2模式下，用戶只能使用內部時鐘發(fā)生器提供的rti時鐘源。

4.結論

仔細分析1個低功耗實時系統會發(fā)現，有很多因素左右著系統功耗，各因素之間往往會相互影響，相互制約。例如，為了保證實時性，盡量不改動時鐘設置，使用了32.768khz的外部晶振作為rti時鐘源，并利用鎖相環(huán)將該頻率升高，作為系統總線時鐘。從操作系統角度分析，cpu可以進入低功耗模式，系統功耗降低了。但是，因為使用了鎖相環(huán)，也會給系統帶來額外的功耗。對于一個實際系統，這種做法到底是提高還是降低了系統功耗，只能通過cpu占用率、節(jié)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降低功耗，就必須全盤考慮，不能僅僅局限于操作系統的角度。