[经验]

利用μC/OS-II给出的内核扩展接口实现低功耗的嵌入式实时系统

2019-5-16 07:00:08

1369 嵌入式单片机

引言

随着消费类电子产品的功能日益复杂，在其中移植或固化实时操作系统已不是新鲜事了，如手机、PDA等等。对于该类产品，低功耗特性往往占有举足轻重的地位。如何在操作系统层面上，尽量降低系统功耗，是一个值得探讨的问题。一般来说，嵌入式CPU都具有低功耗的工作模式，如果在任务调度的空闲时间，使CPU进入这种模式，就能大幅度降低系统功耗。

本文以嵌入式实时操作系统μC/OS-II在飞思卡尔8位单片机HCS08GT60上的移植为例，详细讨论如何利用μC/OS-II给出的内核扩展接口，实现一个低功耗的嵌入式实时系统；进一步分析如何选择一种合适的低功耗模式。μC/OS-II是一种可移植、可固化、可裁剪的可剥夺型多任务内核。由于其源码公开、注释详尽、内核设计概念清晰，已成为世界上学习和使用频率较高的实时操作系统。2000年7月，μC/OS-II V2.52通过了美国航空航天管理局的安全认证，其可靠性得到了进一步的验证。利用任务调度的空闲时间使CPU进入低功耗模式，以降低系统功耗这一思想在μC/OS-II内核设计之初就被注意到了。为此设计者特意留出了相应的内核扩展接口。用户可以利用此接口，实现一个实时的低功耗系统。

1 利用空闲任务扩展接口使CPU进入低功耗模式

实现μC/OS-II低功耗特性的方法很简单：用户可以利用μC/OS-II中空闲任务的扩展接口，使系统在空闲状态下进入某种低功耗模式，降低系统功耗；同时利用Rti信号作为时钟节拍，周期性地唤醒CPU。CPU被唤醒之后，将执行节拍中断服务程序，重新判断是否有任务处于就绪态。如果有，就执行该任务；如果没有，则重复上面的过程。

μC/OS-II最多可以管理64个任务，并为每一个任务分配一个不同的优先级。每一个任务有五种可能的状态——睡眠态、就绪态、运行态、等待态和中断服务态。μC/OS-II属于可剥夺型内核，也就是说，μC/OS-II总是运行进入就绪状态的优先级最高的任务。一旦优先级高的任务进入就绪态，就可以将CPU从低优先级任务中抢过来。

在μC/OS-II初始化时，会建立一个优先级最低的任务——空闲任务，在没有任务进入就绪态的时候，空闲任务就会开始运行。空闲任务会调用一个函数——OSTaskIdleHook()。这是留给用户使用的内核扩展接口。空闲任务实际上并没有什么事情可做①，只是一个等待中断的无限循环。因此用户可以利用OSTaskIdleHook()，使CPU进入低功耗模式。

① 事实上，空闲任务可以为统计任务提供一个计数，用以统计CPU的利用率，但该工作完全可以在改动OSTaskIdleHook()之前运行。
②
用户不必担心整个内核因为系统进入低功耗模式而停止运行。因为HCS08GT60允许RTI时钟周期性地将CPU唤醒。唤醒之后的系统会和遇到节拍中断一样，进入OSTickISR()中断服务程序，查看是否有任务进入了就绪态。如果还没有，就再次进入低功耗模式。对于HCS08GT60，允许RTI时钟的低功耗模式有WAIT模式、STOP2模式和STOP3模式三种，其功耗、系统恢复时间、唤醒中断源等各不相同。下面介绍如何选择一种合适的低功耗模式。

2 选择合适的低功耗模式

2.1 HCS08GT60的低功耗模式

考虑到后面的讨论要涉及到具体的低功耗模式，所以首先介绍一下单片机HCS08GT60的低功耗特性。HCS08GT60属于飞思卡尔（原Motorola）HCS08系列单片机。该系列单片机的低功耗特性很突出；工作电压可以在1.8~3.6 V之间选择，有WAIT和STOP两种低功耗模式。STOP模式可细分为STOP3、STOP2和STOP1三种，功耗依次降低。WAIT模式下， CPU停止运行，但其他外围模块并不断电，因此，系统随时可以响应各种中断。HCS08GT60的三种STOP模式如表1所列。　

从表1可以看出，在STOP1模式中，唤醒CPU只能通过IRQ中断或复位信号，由于无法提供时钟节拍，内核的任务调度无法实现；而在STOP2和STOP3中，RTI都可以作为系统的唤醒中断源，内核可以使用RTI作为时钟节拍。

STOP2模式与STOP3模式相比功耗更低；但是，STOP2模式下I/O寄存器是关闭的，必须在进入模式之前将I/O寄存器的值保存在RAM中，而在唤醒之后再从RAM拷贝到I/O寄存器。唤醒STOP2可以使用IRQ、复位信号和RTI。STOP3模式下，RAM和I/O寄存器内容将保持。另外，除STOP2模式允许的唤醒中断源外，还允许键盘中断唤醒CPU。

2.2 实时性、中断源和功耗影响低功耗模式的选择有三个主要因素：功耗、中断源和实时性。

(1) 功耗

前文中已经提到，适用于μC/OS-II的低功耗模式（即允许RTI唤醒）有三种：WAIT模式、STOP3模式和STOP2模式。系统在这三种模式下的功耗逐渐降低。表2列出了3.12 V供电下，三种模式的典型功耗。

μC/OS-II为用户提供了一个统计任务，用以计算CPU的利用率，并保存在变量OSCPUUsage（%）中。用户可以在加入低功耗处理前②，使用统计任务计算出CPU利用率，从而粗略地估算出系统的功耗。