【導(dǎo)讀】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(biāo)。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。本文介紹一種利用實時時鐘降低嵌入式系統(tǒng)功耗的方法，供大家參考學(xué)習(xí)。
1.嵌入式CPU低功耗模式介紹
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(biāo)。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(jìn)一步分為空閑模式，休眠模式，睡眠模式等。進(jìn)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(jìn)入idle狀態(tài)時，就可以讓CPU進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)會運行。時間片調(diào)度機(jī)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(jìn)入IDLE任務(wù)時，可以認(rèn)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(jī)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(jìn)行時間片調(diào)度。因此，當(dāng)時間片調(diào)度機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(zhǔn)確性，就是最基本的問題。解決了tick的準(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(zhǔn)確性。同時delay時間到達(dá)后，也無法喚醒任務(wù)。要保證系統(tǒng)tick的準(zhǔn)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(zhǔn)確控制delay的準(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(hù)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(jìn)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。基于前面的分析，本文對ECOS的時間片調(diào)度和實時時鐘系統(tǒng)進(jìn)行了修改。對于時間片調(diào)度機(jī)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。在ECOS系統(tǒng)的實時時鐘類中增加一個變量pre_hardware_count用于記錄上一次讀取的硬件計數(shù)器的值。當(dāng)每次系統(tǒng)API讀取tick時，當(dāng)前硬件計數(shù)器的值與上一次讀取時硬件計數(shù)器的值的差值就是兩次讀取之間已經(jīng)過去的tick數(shù)。當(dāng)實時時鐘產(chǎn)生中斷時，即硬件計數(shù)器計到0，將此變量清零。
這樣，就可以保證每次讀取系統(tǒng)tick 時，能得到一個準(zhǔn)確的系統(tǒng)tick值。當(dāng)有任務(wù)要主動延時一段時間，即調(diào)用系統(tǒng)delay API時。ECOS的API函數(shù)會計算出該任務(wù)的delay時間點，然后將該任務(wù)掛入系統(tǒng)delay隊列。然后遍歷系統(tǒng)delay隊列，找出隊列中的最小delay時間點，把該delay時間點對應(yīng)的delay時間寫入GPT，讓GPT來控制delay時間。delay時間到后，GPT會產(chǎn)生中斷，ECOS將中斷處理程序分為兩部分，ISR和DSR。在ISR中將硬件計數(shù)器設(shè)為最大值。然后在DSR中增加系統(tǒng)tick，將超時的任務(wù)重新掛入就緒隊列，并且再次找出系統(tǒng)delay隊列上的最小delay時間點，寫入硬件計數(shù)器。如果系統(tǒng)delay隊列為空，則不對硬件計數(shù)器再進(jìn)行操作，保持ISR 中寫入的最大值。最后ECOS會運行調(diào)度器，如果超時的任務(wù)具有最高優(yōu)先級，那么它就會得到運行，也就是醒過來。這樣也就可以保證系統(tǒng)delay的準(zhǔn)確性與及時性。下圖是修改后實時時鐘后系統(tǒng)tick， delay以及調(diào)度器相關(guān)的流程圖。
下圖是修改后實時時鐘后系統(tǒng)tick， delay以及調(diào)度器相關(guān)的流程圖。
圖1. 實時時鐘修改流程圖
下面是在飛思卡爾公司i.mx51上的實驗數(shù)據(jù)。
可以看出，修改了時間片調(diào)度和實時時鐘后，不論ARM工作在哪個電壓點，系統(tǒng)IDLE時的功耗降低了差不多10倍。因此，延長實時時鐘中斷間隔能極大的降低系統(tǒng)功耗。
4．其他系統(tǒng)的類似方法
當(dāng)前流行的嵌入式操作系統(tǒng)Linux和WinCE也都在討論修改系統(tǒng)實時時鐘中斷方式以求降低系統(tǒng)功耗。對于Linux系統(tǒng)，有一個Less Watts項目，實現(xiàn)tickless idle，即無tick的idle，其實就是修改實時時鐘的中斷方式。WinCE則提供了可變系統(tǒng)時鐘節(jié)拍Variable Tick Scheduler，在進(jìn)入idle狀態(tài)前改變系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，這樣在預(yù)期的時間段里，idle狀態(tài)不會被無謂的系統(tǒng)時鐘中斷喚醒。
5．結(jié)論
可以看出，通過修改實時時鐘中斷方式，可以使CPU在idle狀態(tài)下長時間處于低功耗模式，極大的降低系統(tǒng)功耗。而且當(dāng)前流行的嵌入式操作系統(tǒng)都在積極的探討此方法。相信今后這項功能會成為嵌入式操作系統(tǒng)必備的一個功能。
