眾所周知，低功耗已經(jīng)是衡量一個(gè)嵌入式系統的重要指標。而作為嵌入式系統的核心，嵌入式CPU的功耗則對整個(gè)系統起著(zhù)重要的作用。當前流行的嵌入式系統CPU，基本都提供低功耗特性。一般而言，當嵌入式CPU都會(huì )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(huì )降低很多。而外部中斷發(fā)生時(shí)，可以將CPU喚醒。一個(gè)嵌入式系統運行起來(lái)后，當系統進(jìn)入idle狀態(tài)時(shí)，就可以讓CPU進(jìn)入低功耗模式，而當外部中斷發(fā)生時(shí)，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，可以大大降低系統的功耗。然而，即使系統處于idle而且沒(méi)有別的工作要做，系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷，也會(huì )不停的喚醒CPU，從而增加系統功耗。因此，可以考慮對系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷進(jìn)行修改，從而減少對系統功耗的影響。

 

 

在目前的嵌入式系統中，系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘一般是一個(gè)硬件循環(huán)計數器。當硬件計數器計到一定數值時(shí)會(huì )向CPU發(fā)出中斷。系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘是現代多任務(wù)嵌入式操作系統的重要組成部分，因此我們需要先討論一下嵌入式操作系統與系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘的關(guān)系。當今的嵌入式操作系統一般都支持多任務(wù)，優(yōu)先級和時(shí)間片調度。當嵌入式OS運行起來(lái)后，一般都有一個(gè)IDLE任務(wù)，它的優(yōu)先級最低，而其他任務(wù)的優(yōu)先級都應該比它高。在優(yōu)先級調度機制中，只有當系統中其他高優(yōu)先級任務(wù)都處于阻塞狀態(tài)時(shí)，它才有機會(huì )運行。時(shí)間片調度機制只對同優(yōu)先級的任務(wù)有效。也就是說(shuō)，不同優(yōu)先級的任務(wù)之間是不會(huì )按時(shí)間片調度輪轉的，而是按優(yōu)先級來(lái)調度的。因此當系統進(jìn)入IDLE任務(wù)時(shí)，可以認為系統中沒(méi)有工作要CPU來(lái)做，系統為idle狀態(tài)。當時(shí)間片調度機制開(kāi)啟后，嵌入式OS就會(huì )根據時(shí)間片來(lái)調度任務(wù)。

 

也就是當一個(gè)時(shí)間片用完后，要運行調度器來(lái)決定下一個(gè)時(shí)間片的歸屬。時(shí)間片的基本單位是系統tick，而系統tick是以系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基礎的。當系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷產(chǎn)生時(shí)，CPU會(huì )將系統tick加1。每當系統tick增加n（一個(gè)時(shí)間片）時(shí)，嵌入式OS將啟用調度器進(jìn)行時(shí)間片調度。因此，當時(shí)間片調度機制開(kāi)啟后，就需要系統tick的實(shí)時(shí)更新和調度器的定時(shí)運行，也就需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷以很高的頻率定時(shí)產(chǎn)生。如果關(guān)閉時(shí)間片調度機制，則任務(wù)之間只需要按照優(yōu)先級來(lái)調度，這樣就不需要計算時(shí)間片，也就是系統tick不用實(shí)時(shí)更新，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷不必以很高的頻率產(chǎn)生，調度器也不用定時(shí)運行。這樣就有可能考慮延長(cháng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷間隔。同時(shí)調度器不需要進(jìn)行時(shí)間片調度，可以節省系統開(kāi)銷(xiāo)。但關(guān)閉時(shí)間片調度后，系統就只有優(yōu)先級調度。這就要求系統的所有任務(wù)要主動(dòng)阻塞，而不要期待調度器把同優(yōu)先級的其他任務(wù)調度出CPU而讓自己運行。在目前流行的嵌入式操作系統中，一般都提供了很多主動(dòng)阻塞的機制，因此要做到這一點(diǎn)并不難。延長(cháng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷間隔，可以讓CPU長(cháng)期處于低功耗狀態(tài)，直到有設備中斷喚醒CPU。

 

這樣將大大減低系統在空閑時(shí)的功耗。延長(cháng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷間隔后，需要考慮的問(wèn)題有兩個(gè)，一是系統tick，另一個(gè)是系統delay。系統tick是實(shí)時(shí)時(shí)鐘和操作系統之間的接口，操作系統與時(shí)間相關(guān)的模塊和API，基本都是基于tick的。在一般系統中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷是每個(gè)tick一次。因此tick是操作系統最小的計時(shí)單位。延長(cháng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷間隔后，系統tick就會(huì )長(cháng)時(shí)間不增加，因此怎樣保證系統tick的準確性，就是最基本的問(wèn)題。解決了tick的準確性，就可以隔離實(shí)時(shí)時(shí)鐘對操作系統的影響。系統delay是操作系統一種重要的阻塞機制，它主要用于讓一個(gè)任務(wù)主動(dòng)讓出CPU一段時(shí)間。一般系統delay是基于系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘的，系統delay的基本單位就是tick。當調用delay時(shí)，API函數會(huì )首先得到當前系統tick，然后加上需要delay的時(shí)間，形成一個(gè)未來(lái)的delay時(shí)間點(diǎn)，再將任務(wù)掛到系統的delay隊列上。因此delay隊列上的所有任務(wù)都對應一個(gè)自己的delay時(shí)間點(diǎn)。當系統tick超過(guò)某個(gè)任務(wù)的delay時(shí)間點(diǎn)時(shí)，該任務(wù)就應該醒來(lái)。這就需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷來(lái)喚醒CPU，并運行調度器讓delay的任務(wù)重新進(jìn)入就緒隊列。如果實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷間隔延長(cháng)，系統tick就會(huì )很長(cháng)時(shí)間不增加，就很難保證delay的準確性。同時(shí)delay時(shí)間到達后，也無(wú)法喚醒任務(wù)。要保證系統tick的準確性，就要求每次主動(dòng)獲得系統tick時(shí)，需要通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘硬件計數器的值計算出當前的系統tick。同時(shí)，需要保證主動(dòng)獲取和實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷之間的同步。而對于系統delay，則需要修改硬件計數器的計數值，使其為系統delay隊列上的最小delay時(shí)間點(diǎn)的delay時(shí)間。這樣可以利用硬件計數器來(lái)準確控制delay的準確性，并且利用中斷來(lái)及時(shí)調度任務(wù)。

 

 

ECOS是一款優(yōu)秀的輕量級嵌入式操作系統，它的內核微小，緊湊，支持多任務(wù)，優(yōu)先級和時(shí)間片調度機制。飛思卡爾的多媒體芯片i.mx51基于A(yíng)RM Cortex-A8核，具有很高的性能，同時(shí)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執行指令WFI后，會(huì )進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在睡眠模式下，ARM的時(shí)鐘被關(guān)閉，ARM只消耗極低的功耗來(lái)維護自身的狀態(tài)，即啟用SRPG（State retaining power gate）。當有中斷發(fā)生時(shí)，ARM會(huì )被喚醒，恢復時(shí)鐘，重新開(kāi)始執行。MX51提供了多個(gè)硬件計數器，本文采用其中的GPT作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘。GPT是一個(gè)循環(huán)計數器，可以設置最大為0xffffffff的計數值，每個(gè)時(shí)鐘計數值減1，當計數值減到0時(shí)觸發(fā)中斷，時(shí)鐘為32KHz。GPT的計數值可以在任意時(shí)刻被ARM讀取，讀取是不影響計數的。當IDLE任務(wù)運行時(shí)，IDLE就執行WFI指令，讓ARM進(jìn)入低功耗模式。如果有設備產(chǎn)生中斷，ARM就會(huì )被喚醒，處理中斷以及所需的任務(wù)調度，任務(wù)運行?；谇懊娴姆治?，本文對ECOS的時(shí)間片調度和實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統進(jìn)行了修改。對于時(shí)間片調度機制，在ECOS的配置文件中將其關(guān)閉。

 

對于實(shí)時(shí)時(shí)鐘，則延長(cháng)了它的中斷間隔。系統tick在兩種情況下會(huì )被更新，一種是當調用ECOS API去讀系統tick的時(shí)候，另一種就是GPT產(chǎn)生中斷。當ECOS啟動(dòng)后，將GPT的計數值設為最大，這樣GPT就需要很長(cháng)時(shí)間才會(huì )產(chǎn)生一次中斷。在這期間，系統tick只會(huì )在ECOS API主動(dòng)讀取時(shí)才會(huì )更新。系統tick的更新是通過(guò)讀取硬件計數器的計數值計算出來(lái)的。在ECOS系統的實(shí)時(shí)時(shí)鐘類(lèi)中增加一個(gè)變量pre_hardware_count用于記錄上一次讀取的硬件計數器的值。當每次系統API讀取tick時(shí)，當前硬件計數器的值與上一次讀取時(shí)硬件計數器的值的差值就是兩次讀取之間已經(jīng)過(guò)去的tick數。當實(shí)時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生中斷時(shí)，即硬件計數器計到0，將此變量清零。

 

這樣，就可以保證每次讀取系統tick 時(shí)，能得到一個(gè)準確的系統tick值。當有任務(wù)要主動(dòng)延時(shí)一段時(shí)間，即調用系統delay API時(shí)。ECOS的API函數會(huì )計算出該任務(wù)的delay時(shí)間點(diǎn)，然后將該任務(wù)掛入系統delay隊列。然后遍歷系統delay隊列，找出隊列中的最小delay時(shí)間點(diǎn)，把該delay時(shí)間點(diǎn)對應的delay時(shí)間寫(xiě)入GPT，讓GPT來(lái)控制delay時(shí)間。delay時(shí)間到后，GPT會(huì )產(chǎn)生中斷，ECOS將中斷處理程序分為兩部分，ISR和DSR。在ISR中將硬件計數器設為最大值。然后在DSR中增加系統tick，將超時(shí)的任務(wù)重新掛入就緒隊列，并且再次找出系統delay隊列上的最小delay時(shí)間點(diǎn)，寫(xiě)入硬件計數器。如果系統delay隊列為空，則不對硬件計數器再進(jìn)行操作，保持ISR 中寫(xiě)入的最大值。最后ECOS會(huì )運行調度器，如果超時(shí)的任務(wù)具有最高優(yōu)先級，那么它就會(huì )得到運行，也就是醒過(guò)來(lái)。這樣也就可以保證系統delay的準確性與及時(shí)性。下圖是修改后實(shí)時(shí)時(shí)鐘后系統tick， delay以及調度器相關(guān)的流程圖。

 

下圖是修改后實(shí)時(shí)時(shí)鐘后系統tick， delay以及調度器相關(guān)的流程圖。

圖1. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘修改流程圖

 

下面是在飛思卡爾公司i.mx51上的實(shí)驗數據。

可以看出，修改了時(shí)間片調度和實(shí)時(shí)時(shí)鐘后，不論ARM工作在哪個(gè)電壓點(diǎn)，系統IDLE時(shí)的功耗降低了差不多10倍。因此，延長(cháng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷間隔能極大的降低系統功耗。

 

 

當前流行的嵌入式操作系統Linux和WinCE也都在討論修改系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷方式以求降低系統功耗。對于Linux系統，有一個(gè)Less Watts項目，實(shí)現tickless idle，即無(wú)tick的idle，其實(shí)就是修改實(shí)時(shí)時(shí)鐘的中斷方式。WinCE則提供了可變系統時(shí)鐘節拍Variable Tick Scheduler，在進(jìn)入idle狀態(tài)前改變系統時(shí)鐘節拍，這樣在預期的時(shí)間段里，idle狀態(tài)不會(huì )被無(wú)謂的系統時(shí)鐘中斷喚醒。

 

 

可以看出，通過(guò)修改實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷方式，可以使CPU在idle狀態(tài)下長(cháng)時(shí)間處于低功耗模式，極大的降低系統功耗。而且當前流行的嵌入式操作系統都在積極的探討此方法。相信今后這項功能會(huì )成為嵌入式操作系統必備的一個(gè)功能。