在μC/OS Ⅱ上實現動態電壓調節技術

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