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引言 現代社會中，便攜式系統(如手機和個人媒體播放器)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，已經成為終端用戶產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等多個分處理器，但這些分處理器并不是任何時刻都是滿負載運轉的，它們在很多時候都處于閑置狀態。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調整各個處理器的功耗水平從而節省電能便成了一個普遍關注的問題。 μC／OS—II作為一個源碼公開的嵌入式實時操作系統，可以支持64個任務，同時支持信號量、消息隊列、郵箱等多種常用的進程間通信方式。該操作系統用ANSI C語言書寫，程序可讀性強，移植性好，可裁減，并已在通信、電子、自動化等領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，對其進行了改進，使其可以支持動態的離散電壓管理，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 動態電壓調節技術(DVS)是這樣一種技術：在保證系統任務完成的情況下，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時，提高處理器的電壓以增加其處理速度；而當系統任務較少或處于空閑狀態時，降低處理器的電壓，這樣既可以保證系統任務的按時完成，同時又可降低處理器的能量消耗。該節能技術的理論依據來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，分別表示門電路的電能轉換效率和門電路在整個設備中所占的比例；tTask表示系統中任務的個數。根據式(1)可知，通過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，處理器的電壓會根據處理器頻率的變化自動變化。一般來說，處理器的電壓會隨著頻率的降低而降低，因此，動態電壓技術實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是一個基于優先級的搶占式任務調度內核，為了保證低優先級任務能夠得到處理器的執行，本文假定系統中用戶定義的所有任務都遵循如下的結構：
假設系統里有兩個任務：一個任務的執行時間為0．5 s，周期為10 s；另一個任務的執行時間為1 s，周期為5 s。這兩個任務的調度過程如圖l所示，這時系統中存在大量的松弛時間。
如果在程序運行過程中降低處理器的頻率，處理器的運行電壓也會因此變低。當處理器的頻率變化為最高頻率的 1／4時，其任務調度過程如圖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，系統任務仍然可以正常運行。這時，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采用了基于優先級搶占的調度策略，每個任務執行一段時間之后，都會主動放棄CPU的使用，從而使低優先級的任務能夠得到執行。同時，由于任務放棄CPU進行延時操作，任務間會因此而產生松弛時間，而DVS功能就是利用這段松弛時問，降低處理器的執行速度而完成任務的。本文研究的重點就是改進μC／OS—II，使它能夠根據系統中任務運行產生的松弛時間的情況，自動設置處理器的頻率，降低電壓，從而降低處理器的功耗。 2 DVS系統模型 2．1 DVS任務調度模型 由 1．2可知，當系統中任務之間存在松弛時間的時候，降低處理器的頻率可以縮短任務之間的松弛時間，同時由于頻率下降導致電壓下降，進而可以減少處理器的能量開銷。然而，什么時候進行DVS的調度，處理器最低運行在哪個頻率上都需要進一步分析，為此，需要了解每個任務的相關信息。本文用一個五元組表示一個任務，τi=(Si，PTi，ETi，LETi，NPTi)。其中，Si表示第i個任務的狀態，是就緒還是阻塞；PTi表示第i個任務的執行周期；ETi表示第i個任務的執行時間，LETi表示第i個任務在當前周期內完成剩余指令所需要的時間；NPTi表示第i個任務距離下一個周期任務所需的時間。 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時任務集可調度，任務間存在松弛時間。這是啟用DVS功能的前提。 2．2 判斷是否需要進行DVS調度 為了計算松弛時間存在時處理器最低可以運行在哪個頻率上，引入“變壓因子”這個概念。假設DVS模塊被調用時所有就緒任務需要的執行時間為TAllReady，距離下一個等待任務恢復的時間為TleastWaiting，那么定義變壓因子 FlexibleRatio為：
當FlexibleRatio>1時，表示當前就緒的任務可以在下一個任務從等待中恢復之前執行完畢，這時可以適當降低CPU的電壓和頻率，減慢任務的執行速度；當FlexibleRatio<1時，表示當前就緒的任務在下一個任務恢復之前都不能執行完畢，所以這個時候可以提高CPU的電壓和頻率，使當前就緒的任務盡快執行完畢，從而使下一個恢復的任務可以得到盡快的執行；當 FlexibleRatio=1時，不需要調整電壓和頻率。 2．3 計算可運行的最低頻率 處理器的頻率廠是和完成任務需要的時間T成正比的。它們之間遵循如下關系：
假設當前處理器的運行頻率為fcur，完成已經就緒任務需要的時間為Tcur，使任務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的時間為Tnew，則它們有如下關系：
即在某一時刻，滿足系統任務可調度的情況下，處理器頻率最低可以運行在 FlexibleRatio•fcur。 3 DVS在μC／OS—II上的詳細實現 3．1 DVS在μC／OS—II上實現的整體結構 根據第2節的分析，一個完整的DVS模塊應包括兩大部分：一部分是更新DVS任務控制信息，另外一部分是可調度的最低頻率的計算。其中，第二個部分又可以分為兩個層次，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后μC／OS— II的移植。DVS功能在μC／0S—II的實現總體結構如圖3所示，下面詳細描述各個部分的實現過程。
3．2 更新DVS任務控制信息 為了讓系統知道每個任務的詳細情況，實現過程中建立如下結構體保存任務的信息：
該結構體作為任務控制塊的一部分，在任務創建時，將μC／OS—II自身預留的任務擴展指針 OSTCBExtPtr指向該結構體。這些信息必須在每一個時鐘節拍之后都有變化，因此它們必須在每一個時鐘節拍進行更新。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，將所有任務產生的松弛時間給當前任務使用，使當前就緒的任務集以盡量低的電壓和頻率運行。系統最開始運行在最高頻率和電壓下。該算法的偽代碼如下： //變量leastNxtSusTime表示距離最近一個任務就緒的時間 //變量 readyTaskRequireTime表示就緒任務共需要的執行時間獲取任務TCB；
根據FlexibleRatio設置處理器的頻率 由于系統并不是時刻都需要動態地去改變處理器的頻率和電壓，當且僅當系統中任務的就緒隊列發生變化的時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的切換過程中和中斷返回時執行。在本實驗中，這部分代碼寫在μC／OS—II擴展文件os_cpu_c．c中的OSTaskSwHook()函數中，同時在 OSIntCtxSw()中也用了這個函數。 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，所以本實驗在改進μC／OS—II的時候并沒有將這部分代碼寫入內核，而是提供了擴展接口setCPUAtSpecifledVolAndFreq(voltage，frequency)供移植時使用。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)計算出來的頻率處理器可能并不支持。本實驗在實現過程引入了頻率查詢表快速查詢高于計算結果的，且處理器支持的最低頻率。它的結構如下：
根據計算出的FlexibleRatio，即可直接在查詢表中查詢到相應的頻率值；但是計算出的 FlexibleRatio多為小數，故在實際應用時常將該表設計得比實際大10倍。查詢的時候先將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中通過宏定義變量0S_PM_DVS_EN來啟用和關閉。OS_PM_DVS_EN為1表示開啟DVS功能，為O表示關閉。 4 測試實驗 改進后的μC／0S—II使用ARM Develop Suit V1．2編譯后，在華邦的W90P710開發板上測試運行。W90P710開發板支持4個等級的頻率調整。有關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測量改進前后μC／OS—II在板子上運行時的功耗。本測試案例創建了兩個任務。這兩個任務的屬性如表1所列。
實驗結果表明，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 本文的創新之處在于提出了一個DVS的實現模型，并在保持μC／OS—II原有的基于搶占的靜態優先級調度基礎上，在遵循可裁減、可移植的前提下，在其內核中加入了支持動態電壓管理的代碼配置和函數接口。經測試，改進后的μC／OS—II可以在W90P710上順利運行。雖然本實驗是針對離散的頻率和電壓進行的，但改進的μC／0S—II仍然可以支持連續電壓和頻率下的動態管理。通過以上改進，μC／0S—II在實際應用中可以節省更多的能耗，設備的使用時間會更加長久。 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中任務切換機理及中斷技術研究 2007(10) 6. 吳琦.熊光澤.廖勇 DVS 系統硬實時周期任務動態調度算法 [期刊論文] -電子科技大學學報2007(5) 作者：任磊,郭兵 (四川大學) 沈艷 (電子科技大學) 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (4) |
