基于μCOS-Ⅱ在SPCE061A開發(fā)板上如何實現(xiàn)低功耗嵌入式系統(tǒng)的設計

1 引 言

在當今普遍使用的手持式移動設備中，如何降低嵌入式系統(tǒng)的功耗、延長電池使用的時間等問題一直是困擾開發(fā)人員的一個難題。大量的功耗不僅導致移動設備的待機時間縮短，還會導致芯片熱量增加，降低可靠性，而且也會增加散熱系統(tǒng)的成本。待機時間問題雖然可以通過提高電池容量解決，但實際情況是嵌入式系統(tǒng)的功耗增長超過電池技術的發(fā)展，因此單純依靠電池技術的發(fā)展是不可能在短期內(nèi)解決現(xiàn)在正遇到的功耗問題。

CMOS邏輯電路被認為是現(xiàn)今最通用的大規(guī)模集成電路技術，因為CMOS可以高度集成，并具有低功耗、輸入電流小等特性，而且從理論上，理想的CMOS電路的靜態(tài)功耗可以認為是零，是一種“理想”的邏輯器件。但實際的CMOS器件依然需要消耗功率，而且頻率越高，消耗的動態(tài)功耗越高。雖然芯片的封裝、使用散熱片和風扇能夠散掉芯片和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量，然而隨著芯片和系統(tǒng)尺寸持續(xù)地增加，要提供充分的散熱就必須付出更多的代價，而且系統(tǒng)的尺寸也會增加，散熱系統(tǒng)的機械部分也會降低系統(tǒng)的可靠性。

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件共同組成，因此降低嵌入式系統(tǒng)功耗的方法也有硬件方法和軟件方法。本文以移植到凌陽16位處理器μ′nSPTM上的嵌入式實時操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ為例，使用凌陽公司提供的SPCE061A開發(fā)板，討論如何利用μCOS-Ⅱ給出的內(nèi)核擴展接口，實現(xiàn)一個低功耗的嵌入式系統(tǒng)。

2 嵌入式系統(tǒng)的功耗

嵌入式系統(tǒng)的平均功耗和電池容量共同決定待機時間，平均功耗越小、電池容量越大則待機時間越長。而嵌入式系統(tǒng)的功耗可以分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，靜態(tài)功耗是由CMOS電路的漏電流形成，現(xiàn)在的技術已經(jīng)使漏電流減少到盡可能小，因此靜態(tài)功耗一般占總功耗的比例很??；動態(tài)功耗是由CMOS電路的分布電容充放電形成，該功耗占總功耗的比例很大，因此也是主要的研究對象。動態(tài)功耗的大小可由式PD=CL×VDD2×f表示，CL是CMOS電路的分布電容，與芯片尺寸和工藝有關；VDD是電源電壓；f是系統(tǒng)的工作頻率，降低工作頻率有助于降低系統(tǒng)功耗，但會使系統(tǒng)工作速度下降。

由上述分析可知，降低嵌入式系統(tǒng)的功耗主要有兩種途徑。第一種是動態(tài)頻率調(diào)節(jié)（DFS），它可以改變不同電壓域上的時鐘頻率。雖然這種方法可以消除空閑等待的時間，但是卻不能減少能量的消耗。比如將一個任務以通常情況的一半頻率來運行，意味著完成這個任務要通常的兩倍時間。DFS有用的地方在于，它可以降低峰值功耗。第二種方式是動態(tài)地電壓和頻率調(diào)節(jié)（DVFS）。DVFS是建立在DFS基礎之上的，它既要降低頻率，又要降低電壓。由于電壓對動態(tài)功耗二次方的關系，DVFS確實能將能量的消耗節(jié)省下來。為此ARM公司的Faisal M．Goriawalla先生提出IEM（智能能量管理）方案，該方案采用步進策略、前瞻策略或平均數(shù)策略等算法調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率和電壓，對于最終產(chǎn)品來說，則可以節(jié)省15％～20％的能量消耗（來源于ARM公司OEM合作伙伴的數(shù)據(jù)）。

3 實時操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ和凌陽處理器μ′nSPTM簡介

μCOS-Ⅱ是一個簡單、高效的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有可搶占的實時多任務調(diào)度系統(tǒng)功能。μCOS-Ⅱ提供很多系統(tǒng)服務，例如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內(nèi)存的申請與釋放、時間相關函數(shù)等。μCOS-Ⅱ2．5版本支持64個任務，每個任務一個特定的優(yōu)先級。優(yōu)先級越高，數(shù)字越小。系統(tǒng)占用了8個任務，保留優(yōu)先級為0，1，2，3，OS LOWEST_PRIO-3，OS_LOWEST_PRIO_2，OS_LOWEST_PRIO_1，OS_LOWEST_PRIO_0。

凌陽16位處理器μ′nSPTM被廣泛應用在家用電器控制器、儀器儀表、工業(yè)控制、娛樂和語音控制等場合。在功耗控制方面，μ′nSPTM采用CMOS制造工藝，同時增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗?？梢酝ㄟ^對P SystemClock的設置進行選擇CPU的時鐘可以在O．32～49．152 MHz范圍內(nèi)可編程調(diào)節(jié)。當系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時鐘處于停止狀態(tài)），耗電僅為2μA@3．6 V。μ′nSPTM處理器滿足μCOS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)移植的條件。

凌陽16位處理器μ′nSPTM的時鐘有多種選擇。系統(tǒng)采用32 768 Hz的實時時鐘，實時時鐘經(jīng)過PLL倍頻電路以后，產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘頻率FOSC，F(xiàn)OSC再經(jīng)過分頻得到CPU時鐘頻率。其工作原理如圖1所示。

由圖1可知：μ′nSPTM的時鐘有多種選擇，從O．32～49．152 MHz范圍內(nèi)可編程調(diào)節(jié)，另外還可以關閉32 768 Hz實時時鐘進入睡眠狀態(tài)。在3．6 V電源電壓下，處理器的工作電流見表1。

4 μCOS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)低功耗的原理

μCOS-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μCOS-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?？臻e任務會調(diào)用一個函數(shù)——OSTaskIdleHook（）。這是留給用戶使用的內(nèi)核擴展接口?？臻e任務實際上并沒有什么事情可做，只是一個等待中斷的無限循環(huán)。因此用戶可以利用OSTaskIdleHook（），降低或者關閉系統(tǒng)時鐘，使CPU進入低功耗模式。在實際的測試中，可修改文件OS_CPU_A．ASM，添加控制實時時鐘的例程，然后在應用程序或函數(shù)OSTaskIdleHook（）中調(diào)用，這樣更便于程序閱讀。

在本文中采用的具體方法有兩種：

方案一：系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下關閉實時時鐘，進入低功耗狀態(tài)。但這種方法會使操作系統(tǒng)停止運行而無法進行任務調(diào)度，故需要定時器周期性地喚醒CPU。CPU被喚醒之后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；如果沒有則再次進入空閑狀態(tài)并關閉實時時鐘進入低功耗狀態(tài)。其工作時序見圖2。其中用戶任務工作在高功耗狀態(tài)，空閑任務則關閉實時時鐘，處于低功耗狀態(tài)。

方案二：系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下不關閉實時時鐘，而是進入最低的工作頻率，此時處理器處于低功耗工作狀態(tài)，操作系統(tǒng)仍然可以進行任務調(diào)度。當有用戶任務時，由用戶任務先把實時時鐘頻率升高，然后再運行用戶代碼。其工作時序見圖3。其中每次進入用戶任務之前，先將實時時鐘頻率升高，用戶任務運行結束進入空閑狀態(tài)時，再將實時時鐘頻率降低。

1）測試和方案對比：

首先在處理器μ′nSPTM處理器上移植μCOS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)。運行正常后測試用的用戶任務是以1 Hz的頻率點亮LED指示燈。表2是測試數(shù)據(jù)（外電源電壓4．82 V，穩(wěn)壓后處理器電壓3．3 V）。

2）測試結論：

雖然以整機電流進行測試不能完全反映處理器的工作情況，但從以上數(shù)據(jù)可以知道，采用兩種方案確實可以降低系統(tǒng)功耗，而且方案一的效果更好，但需要占用一個定時器，在測試中發(fā)現(xiàn)當任務增加后功耗很快達到方案二水平，且有時不能正常喚醒；方案二很穩(wěn)定，而且不需要定時器，用戶可以根據(jù)任務的運算量設定不同的時鐘頻率，如需要大的運算任務，可在進入用戶任務之前將時鐘頻率設置為較高值，反之設置為較低值。以上采用的方法只是動態(tài)地改變系統(tǒng)的頻率，沒有動態(tài)地改變電壓水平，因此在降低嵌入式系統(tǒng)功耗方面依然有進一步的潛力。但動態(tài)改變電壓水平需要更多硬件支持，在目前廣泛使用的中低端處理器中，通過擴展實時操作系統(tǒng)內(nèi)核動態(tài)地改變系統(tǒng)的頻率對降低嵌入式系統(tǒng)功耗是大有裨益的。

5 結 語

在嵌入式系統(tǒng)設計中，由于普遍存在CPU高速運行功能和有限任務處理要求的巨大差異，會形成系統(tǒng)在時間與空間上巨大的無效操作。如果能夠根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)自動地進行功耗管理，使系統(tǒng)工作于系統(tǒng)狀態(tài)相適應的功耗模式，故能極大地降低系統(tǒng)功耗，延長電池待機時間。這些工作對嵌入式開發(fā)有重大的意義。

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