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引言 現代社會(huì )中，便攜式系統(如手機和個(gè)人媒體播放器)正在演變成綜合性多媒體和通信系統。新的應用程序，如游戲、數字電視、高速 Internet，已經(jīng)成為終端用戶(hù)產(chǎn)品中的一項普通功能。然而，復雜的功能需要功能強大的處理器，如智能手機中已集成了模擬基帶、數字基帶、圖像處理器和CPU等多個(gè)分處理器，但這些分處理器并不是任何時(shí)刻都是滿(mǎn)負載運轉的，它們在很多時(shí)候都處于閑置狀態(tài)。因此，對于依靠電池供電的便攜式設備，如何根據系統的工作狀態(tài)調整各個(gè)處理器的功耗水平從而節省電能便成了一個(gè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。 μC／OS—II作為一個(gè)源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，可以支持64個(gè)任務(wù)，同時(shí)支持信號量、消息隊列、郵箱等多種常用的進(jìn)程間通信方式。該操作系統用ANSI C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，程序可讀性強，移植性好，可裁減，并已在通信、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域的嵌入式設備中獲得了廣泛的應用，但是它的內核并不支持 DVS(Dynamic Voltage Scaling)管理。本文在遵循可移植、可裁減的前提下，對其進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以支持動(dòng)態(tài)的離散電壓管理，保證μC／OS—II在新要求下的應用，使嵌入式設備的電量能夠得到充分的使用。 1 DVS在μC／OS—II上應用的理論基礎 1．1 DVS應用的硬件基礎 動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)(DVS)是這樣一種技術(shù)：在保證系統任務(wù)完成的情況下，使處理器運行在盡可能低的電壓上。它的基本思想是，當系統需要完成大量計算任務(wù)時(shí)，提高處理器的電壓以增加其處理速度；而當系統任務(wù)較少或處于空閑狀態(tài)時(shí)，降低處理器的電壓，這樣既可以保證系統任務(wù)的按時(shí)完成，同時(shí)又可降低處理器的能量消耗。該節能技術(shù)的理論依據來(lái)自于對處理器功耗的定義： 
其中：E為處理器的功耗，V為處理器的電壓，fclk為處理器的頻率，lLcak為漏電流；α和C為常數，分別表示門(mén)電路的電能轉換效率和門(mén)電路在整個(gè)設備中所占的比例；tTask表示系統中任務(wù)的個(gè)數。根據式(1)可知，通過(guò)降低處理器的電壓和頻率，可以減少處理器對電能的消耗。由于在實(shí)際應用中，程序能夠直接控制的是處理器的頻率，處理器的電壓會(huì )根據處理器頻率的變化自動(dòng)變化。一般來(lái)說(shuō)，處理器的電壓會(huì )隨著(zhù)頻率的降低而降低，因此，動(dòng)態(tài)電壓技術(shù)實(shí)際上是對頻率的調整。本文中如不作特別聲明，調整頻率即意味調整電壓。 1. 2 DVS應用的軟件基礎 由于μC／OS—II是一個(gè)基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調度內核，為了保證低優(yōu)先級任務(wù)能夠得到處理器的執行，本文假定系統中用戶(hù)定義的所有任務(wù)都遵循如下的結構：
假設系統里有兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間為0．5 s，周期為10 s；另一個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間為1 s，周期為5 s。這兩個(gè)任務(wù)的調度過(guò)程如圖l所示，這時(shí)系統中存在大量的松弛時(shí)間。
如果在程序運行過(guò)程中降低處理器的頻率，處理器的運行電壓也會(huì )因此變低。當處理器的頻率變化為最高頻率的 1／4時(shí)，其任務(wù)調度過(guò)程如圖2所示。
由圖2可以知道，當處理器的頻率變化為正常的1／4時(shí)，系統任務(wù)仍然可以正常運行。這時(shí)，處理器的電壓下降了，根據式(1)，處理器的功耗也降低了。 從上面的分析可以看出，正是由于μC／OS—II采用了基于優(yōu)先級搶占的調度策略，每個(gè)任務(wù)執行一段時(shí)間之后，都會(huì )主動(dòng)放棄CPU的使用，從而使低優(yōu)先級的任務(wù)能夠得到執行。同時(shí)，由于任務(wù)放棄CPU進(jìn)行延時(shí)操作，任務(wù)間會(huì )因此而產(chǎn)生松弛時(shí)間，而DVS功能就是利用這段松弛時(shí)問(wèn)，降低處理器的執行速度而完成任務(wù)的。本文研究的重點(diǎn)就是改進(jìn)μC／OS—II，使它能夠根據系統中任務(wù)運行產(chǎn)生的松弛時(shí)間的情況，自動(dòng)設置處理器的頻率，降低電壓，從而降低處理器的功耗。 2 DVS系統模型 2．1 DVS任務(wù)調度模型 由 1．2可知，當系統中任務(wù)之間存在松弛時(shí)間的時(shí)候，降低處理器的頻率可以縮短任務(wù)之間的松弛時(shí)間，同時(shí)由于頻率下降導致電壓下降，進(jìn)而可以減少處理器的能量開(kāi)銷(xiāo)。然而，什么時(shí)候進(jìn)行DVS的調度，處理器最低運行在哪個(gè)頻率上都需要進(jìn)一步分析，為此，需要了解每個(gè)任務(wù)的相關(guān)信息。本文用一個(gè)五元組表示一個(gè)任務(wù)，τi=(Si，PTi，ETi，LETi，NPTi)。其中，Si表示第i個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，是就緒還是阻塞；PTi表示第i個(gè)任務(wù)的執行周期；ETi表示第i個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間，LETi表示第i個(gè)任務(wù)在當前周期內完成剩余指令所需要的時(shí)間；NPTi表示第i個(gè)任務(wù)距離下一個(gè)周期任務(wù)所需的時(shí)間。 根據上述定義，系統處理器的利用率Uτ可以表示為：
當且僅當Uτ<1時(shí)任務(wù)集可調度，任務(wù)間存在松弛時(shí)間。這是啟用DVS功能的前提。 2．2 判斷是否需要進(jìn)行DVS調度 為了計算松弛時(shí)間存在時(shí)處理器最低可以運行在哪個(gè)頻率上，引入“變壓因子”這個(gè)概念。假設DVS模塊被調用時(shí)所有就緒任務(wù)需要的執行時(shí)間為T(mén)AllReady，距離下一個(gè)等待任務(wù)恢復的時(shí)間為T(mén)leastWaiting，那么定義變壓因子 FlexibleRatio為：
當FlexibleRatio>1時(shí)，表示當前就緒的任務(wù)可以在下一個(gè)任務(wù)從等待中恢復之前執行完畢，這時(shí)可以適當降低CPU的電壓和頻率，減慢任務(wù)的執行速度；當FlexibleRatio<1時(shí)，表示當前就緒的任務(wù)在下一個(gè)任務(wù)恢復之前都不能執行完畢，所以這個(gè)時(shí)候可以提高CPU的電壓和頻率，使當前就緒的任務(wù)盡快執行完畢，從而使下一個(gè)恢復的任務(wù)可以得到盡快的執行；當 FlexibleRatio=1時(shí)，不需要調整電壓和頻率。 2．3 計算可運行的最低頻率 處理器的頻率廠(chǎng)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：
假設當前處理器的運行頻率為fcur，完成已經(jīng)就緒任務(wù)需要的時(shí)間為T(mén)cur，使任務(wù)集可調度的最低頻率為fnew，以及在新的頻率下完成就緒任務(wù)的時(shí)間為T(mén)new，則它們有如下關(guān)系：
即在某一時(shí)刻，滿(mǎn)足系統任務(wù)可調度的情況下，處理器頻率最低可以運行在 FlexibleRatio•fcur。 3 DVS在μC／OS—II上的詳細實(shí)現 3．1 DVS在μC／OS—II上實(shí)現的整體結構 根據第2節的分析，一個(gè)完整的DVS模塊應包括兩大部分：一部分是更新DVS任務(wù)控制信息，另外一部分是可調度的最低頻率的計算。其中，第二個(gè)部分又可以分為兩個(gè)層次，即最低頻率的計算和頻率的硬件設置部分，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)現總體結構如圖3所示，下面詳細描述各個(gè)部分的實(shí)現過(guò)程。
3．2 更新DVS任務(wù)控制信息 為了讓系統知道每個(gè)任務(wù)的詳細情況，實(shí)現過(guò)程中建立如下結構體保存任務(wù)的信息：
該結構體作為任務(wù)控制塊的一部分，在任務(wù)創(chuàng )建時(shí)，將μC／OS—II自身預留的任務(wù)擴展指針 OSTCBExtPtr指向該結構體。這些信息必須在每一個(gè)時(shí)鐘節拍之后都有變化，因此它們必須在每一個(gè)時(shí)鐘節拍進(jìn)行更新。更新這部分信息的代碼被放在 OSTimeTickHook()函數中。 3．3 計算可運行的最低電壓和頻率 計算可運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)間給當前任務(wù)使用，使當前就緒的任務(wù)集以盡量低的電壓和頻率運行。系統最開(kāi)始運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)共需要的執行時(shí)間獲取任務(wù)TCB；
根據FlexibleRatio設置處理器的頻率 由于系統并不是時(shí)刻都需要動(dòng)態(tài)地去改變處理器的頻率和電壓，當且僅當系統中任務(wù)的就緒隊列發(fā)生變化的時(shí)候才需要重新計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)執行。在本實(shí)驗中，這部分代碼寫(xiě)在μC／OS—II擴展文件os_cpu_c．c中的OSTaskSwHook()函數中，同時(shí)在 OSIntCtxSw()中也用了這個(gè)函數。 3．4 設置處理器的頻率和電壓 由于設置處理器的頻率和電壓是與操作系統所運行的硬件平臺相關(guān)的，不同的處理器設置處理器頻率和電壓的方法不盡相同，所以本實(shí)驗在改進(jìn)μC／OS—II的時(shí)候并沒(méi)有將這部分代碼寫(xiě)入內核，而是提供了擴展接口setCPUAtSpecifledVolAndFreq(voltage，frequency)供移植時(shí)使用。該函數用于設置處理器的電壓和頻率為指定的電壓和頻率。其中，參數voltage和frequency分別表示電壓和頻率。 3．5 快速查詢(xún)頻率和電壓 因為目前大多數的處理器并不支持連續地設置處理器的頻率，它們僅支持離散地設置處理器的頻率，所以按照公式(8)計算出來(lái)的頻率處理器可能并不支持。本實(shí)驗在實(shí)現過(guò)程引入了頻率查詢(xún)表快速查詢(xún)高于計算結果的，且處理器支持的最低頻率。它的結構如下：
根據計算出的FlexibleRatio，即可直接在查詢(xún)表中查詢(xún)到相應的頻率值；但是計算出的 FlexibleRatio多為小數，故在實(shí)際應用時(shí)常將該表設計得比實(shí)際大10倍。查詢(xún)的時(shí)候先將FlexibleRatio乘以10后取整，然后再查表。 3．6 可裁減設計 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(kāi)啟DVS功能，為O表示關(guān)閉。 4 測試實(shí)驗 改進(jìn)后的μC／0S—II使用ARM Develop Suit V1．2編譯后，在華邦的W90P710開(kāi)發(fā)板上測試運行。W90P710開(kāi)發(fā)板支持4個(gè)等級的頻率調整。有關(guān)μC／OS-II在這塊板子上的移植請查閱參考文獻。 采用功率計HIOK13332測量改進(jìn)前后μC／OS—II在板子上運行時(shí)的功耗。本測試案例創(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)驗結果表明，使用DVS功能與不使用DVS功能相比，調節處理器的功耗下降41％。 5 結 論 本文的創(chuàng )新之處在于提出了一個(gè)DVS的實(shí)現模型，并在保持μC／OS—II原有的基于搶占的靜態(tài)優(yōu)先級調度基礎上，在遵循可裁減、可移植的前提下，在其內核中加入了支持動(dòng)態(tài)電壓管理的代碼配置和函數接口。經(jīng)測試，改進(jìn)后的μC／OS—II可以在W90P710上順利運行。雖然本實(shí)驗是針對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)際應用中可以節省更多的能耗，設備的使用時(shí)間會(huì )更加長(cháng)久。 參考文獻 1. Juha P Optimizing the Power for Multiple Voltage Domains 2006 2. Labrosse Jean J.邵貝貝 MicroC/OS-II The real-time Kernel 2006 3. Kim W.Shin D.Yun H S Performance Comparison of Dynamic Voltage Scaling Algorithms for Hard Real-Time Systems 2002 4. 羅剛.郭兵.沈艷 Winbod W90P710評估板上μC/OS-II RTOS的移植 2008(7) 5. 毛德梅.何建忠.汪明珠 μC/OS- II中任務(wù)切換機理及中斷技術(shù)研究 2007(10) 6. 吳琦.熊光澤.廖勇 DVS 系統硬實(shí)時(shí)周期任務(wù)動(dòng)態(tài)調度算法 [期刊論文] -電子科技大學(xué)學(xué)報2007(5) 作者：任磊,郭兵 (四川大學(xué)) 沈艷 (電子科技大學(xué)) 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (4) |
