在μC/OSII上实现动态电压调节技术

 

　　μC/OS—II作为一个源码公开的嵌入式实时操作系统，可以支持64个任务，同时支持信号量、消息队列、邮箱等多种常用的进程间通信方式。该操作系统用ANSI C语言书写，程序可读性强，移植性好，可裁减，并已在通信、电子、自动化等领域的嵌入式设备中获得了广泛的应用，但是它的内核并不支持DVS(Dynamic Voltage Scaling)管理。本文在遵循可移植、可裁减的前提下，对其进行了改进，使其可以支持动态的离散电压管理，保证μC/OS—II在新要求下的应用，使嵌入式设备的电量能够得到充分的使用。

　　1 DVS在μC/OS—II上应用的理论基础

　　1.1 DVS应用的硬件基础

　　动态电压调节技术(DVS)是这样一种技术：在保证系统任务完成的情况下，使处理器运行在尽可能低的电压上。它的基本思想是，当系统需要完成大量计算任务时，提高处理器的电压以增加其处理速度;而当系统任务较少或处于空闲状态时，降低处理器的电压，这样既可以保证系统任务的按时完成，同时又可降低处理器的能量消耗。该节能技术的理论依据来自于对处理器功耗的定义：

　　

 

　　其中：E为处理器的功耗，V为处理器的电压，fclk为处理器的频率，lLcak为漏电流;α和C为常数，分别表示门电路的电能转换效率和门电路在整个设备中所占的比例;tTask表示系统中任务的个数。根据式(1)可知，通过降低处理器的电压和频率，可以减少处理器对电能的消耗。由于在实际应用中，程序能够直接控制的是处理器的频率，处理器的电压会根据处理器频率的变化自动变化。一般来说，处理器的电压会随着频率的降低而降低，因此，动态电压技术实际上是对频率的调整。本文中如不作特别声明，调整频率即意味调整电压。

　　1. 2 DVS应用的软件基础

　　由于μC/OS—II是一个基于优先级的抢占式任务调度内核，为了保证低优先级任务能够得到处理器的执行，本文假定系统中用户定义的所有任务都遵循如下的结构：

　　

 

　　假设系统里有两个任务：一个任务的执行时间为0.5 s，周期为10 s;另一个任务的执行时间为1 s，周期为5 s。这两个任务的调度过程如图l所示，这时系统中存在大量的松弛时间。

　　

 

　　如果在程序运行过程中降低处理器的频率，处理器的运行电压也会因此变低。当处理器的频率变化为最高频率的1/4时，其任务调度过程如图2所示。

　　

 

　　由图2可以知道，当处理器的频率变化为正常的1/4时，系统任务仍然可以正常运行。这时，处理器的电压下降了，根据式(1)，处理器的功耗也降低了。

　　从上面的分析可以看出，正是由于μC/OS—II采用了基于优先级抢占的调度策略，每个任务执行一段时间之后，都会主动放弃CPU的使用，从而使低优先级的任务能够得到执行。同时，由于任务放弃CPU进行延时操作，任务间会因此而产生松弛时间，而DVS功能就是利用这段松弛时问，降低处理器的执行速度而完成任务的。本文研究的重点就是改进μC/OS—II，使它能够根据系统中任务运行产生的松弛时间的情况，自动设置处理器的频率，降低电压，从而降低处理器的功耗。