1.嵌入式CPU低功耗模式介紹

　　眾所周知，低功耗已經是衡量一個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的功耗則對整個系統起著重要的作用。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都會有工作模式與低功耗模式，而低功耗模式又可進一步分為空閑模式，休眠模式，睡眠模式等。進入低功耗模式后，CPU的功耗會降低很多。而外部中斷發生時，可以將CPU喚醒。一個嵌入式系統運行起來后，當系統進入idle狀態時，就可以讓CPU進入低功耗模式，而當外部中斷發生時，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而且沒有別的工作要做，系統實時時鐘的中斷，也會不停的喚醒CPU，從而增加系統功耗。因此，可以考慮對系統實時時鐘的中斷進行修改，從而減少對系統功耗的影響。

　　2．系統實時時鐘與功耗的關系分析

　　在目前的嵌入式系統中，系統實時時鐘一般是一個硬件循環計數器。當硬件計數器計到一定數值時會向CPU發出中斷。系統實時時鐘是現代多任務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時時鐘的關系。當今的嵌入式操作系統一般都支持多任務，優先級和時間片調度。當嵌入式OS運行起來后，一般都有一個IDLE任務，它的優先級最低，而其他任務的優先級都應該比它高。在優先級調度機制中，只有當系統中其他高優先級任務都處于阻塞狀態時，它才有機會運行。時間片調度機制只對同優先級的任務有效。也就是說，不同優先級的任務之間是不會按時間片調度輪轉的，而是按優先級來調度的。因此當系統進入IDLE任務時，可以認為系統中沒有工作要CPU來做，系統為idle狀態。當時間片調度機制開啟后，嵌入式OS就會根據時間片來調度任務。也就是當一個時間片用完后，要運行調度器來決定下一個時間片的歸屬。時間片的基本單位是系統tick，而系統tick是以系統實時時鐘為基礎的。當系統實時時鐘中斷產生時，CPU會將系統tick加1。每當系統tick增加n（一個時間片）時，嵌入式OS將啟用調度器進行時間片調度。因此，當時間片調度機制開啟后，就需要系統tick的實時更新和調度器的定時運行，也就需要實時時鐘中斷以很高的頻率定時產生。如果關閉時間片調度機制，則任務之間只需要按照優先級來調度，這樣就不需要計算時間片，也就是系統tick不用實時更新，實時時鐘的中斷不必以很高的頻率產生，調度器也不用定時運行。這樣就有可能考慮延長實時時鐘的中斷間隔。同時調度器不需要進行時間片調度，可以節省系統開銷。但關閉時間片調度后，系統就只有優先級調度。這就要求系統的所有任務要主動阻塞，而不要期待調度器把同優先級的其他任務調度出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阻塞的機制，因此要做到這一點并不難。延長實時時鐘的中斷間隔，可以讓CPU長期處于低功耗狀態，直到有設備中斷喚醒CPU。這樣將大大減低系統在空閑時的功耗。延長實時時鐘中斷間隔后，需要考慮的問題有兩個，一是系統tick，另一個是系統delay。系統tick是實時時鐘和操作系統之間的接口，操作系統與時間相關的模塊和API，基本都是基于tick的。在一般系統中，實時時鐘的中斷是每個tick一次。因此tick是操作系統最小的計時單位。延長實時時鐘中斷間隔后，系統tick就會長時間不增加，因此怎樣保證系統tick的準確性，就是最基本的問題。解決了tick的準確性，就可以隔離實時時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，它主要用于讓一個任務主動讓出CPU一段時間。一般系統delay是基于系統實時時鐘的，系統delay的基本單位就是tick。當調用delay時，API函數會首先得到當前系統tick，然后加上需要delay的時間，形成一個未來的delay時間點，再將任務掛到系統的delay隊列上。因此delay隊列上的所有任務都對應一個自己的delay時間點。當系統tick超過某個任務的delay時間點時，該任務就應該醒來。這就需要實時時鐘的中斷來喚醒CPU，并運行調度器讓delay的任務重新進入就緒隊列。如果實時時鐘中斷間隔延長，系統tick就會很長時間不增加，就很難保證delay的準確性。同時delay時間到達后，也無法喚醒任務。要保證系統tick的準確性，就要求每次主動獲得系統tick時，需要通過實時時鐘硬件計數器的值計算出當前的系統tick。同時，需要保證主動獲取和實時時鐘中斷之間的同步。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時間點的delay時間。這樣可以利用硬件計數器來準確控制delay的準確性，并且利用中斷來及時調度任務。

　　3．在I.MX51上的解決方案：

　　ECOS是一款優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，優先級和時間片調度機制。飛思卡爾的多媒體芯片i.mx51基于ARM Cortex-A8核，具有很高的性能，同時支持了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，會進入睡眠狀態。在睡眠模式下，ARM的時鐘被關閉，ARM只消耗極低的功耗來維護自身的狀態，即啟用SRPG（State retaining power gate）。當有中斷發生時，ARM會被喚醒，恢復時鐘，重新開始執行。MX51提供了多個硬件計數器，本文采用其中的GPT作為實時時鐘。GPT是一個循環計數器，可以設置最大為0xffffffff的計數值，每個時鐘計數值減1，當計數值減到0時觸發中斷，時鐘為32KHz。GPT的計數值可以在任意時刻被ARM讀取，讀取是不影響計數的。當IDLE任務運行時，IDLE就執行WFI指令，讓ARM進入低功耗模式。如果有設備產生中斷，ARM就會被喚醒，處理中斷以及所需的任務調度，任務運行。基于前面的分析，本文對ECOS的時間片調度和實時時鐘系統進行了修改。對于時間片調度機制，在ECOS的配置文件中將其關閉。對于實時時鐘，則延長了它的中斷間隔。系統tick在兩種情況下會被更新，一種是當調用ECOS API去讀系統tick的時候，另一種就是GPT產生中斷。當ECOS啟動后，將GPT的計數值設為最大，這樣GPT就需要很長時間才會產生一次中斷。在這期間，系統tick只會在ECOS API主動讀取時才會更新。系統tick的更新是通過讀取硬件計數器的計數值計算出來的。在ECOS系統的實時時鐘類中增加一個變量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，當前硬件計數器的值與上一次讀取時硬件計數器的值的差值就是兩次讀取之間已經過去的tick數。當實時時鐘產生中斷時，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，能得到一個準確的系統tick值。當有任務要主動延時一段時間，即調用系統delay API時。ECOS的API函數會計算出該任務的delay時間點，然后將該任務掛入系統delay隊列。然后遍歷系統delay隊列，找出隊列中的最小delay時間點，把該delay時間點對應的delay時間寫入GPT，讓GPT來控制delay時間。delay時間到后，GPT會產生中斷，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，將超時的任務重新掛入就緒隊列，并且再次找出系統delay隊列上的最小delay時間點，寫入硬件計數器。如果系統delay隊列為空，則不對硬件計數器再進行操作，保持ISR 中寫入的最大值。最后ECOS會運行調度器，如果超時的任務具有最高優先級，那么它就會得到運行，也就是醒過來。這樣也就可以保證系統delay的準確性與及時性。下圖是修改后實時時鐘后系統tick， delay以及調度器相關的流程圖。

　　下圖是修改后實時時鐘后系統tick， delay以及調度器相關的流程圖。

　　圖1. 實時時鐘修改流程圖

　　下面是在飛思卡爾公司i.mx51上的實驗數據。

　　可以看出，修改了時間片調度和實時時鐘后，不論ARM工作在哪個電壓點，系統IDLE時的功耗降低了差不多10倍。因此，延長實時時鐘中斷間隔能極大的降低系統功耗。

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　　4．其他系統的類似方法

　　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時時鐘中斷方式以求降低系統功耗。對于Linux系統，有一個Less Watts項目，實現tickless idle，即無tick的idle，其實就是修改實時時鐘的中斷方式。WinCE則提供了可變系統時鐘節拍Variable Tick Scheduler，在進入idle狀態前改變系統時鐘節拍，這樣在預期的時間段里，idle狀態不會被無謂的系統時鐘中斷喚醒。

　　5．結論

　　可以看出，通過修改實時時鐘中斷方式，可以使CPU在idle狀態下長時間處于低功耗模式，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成為嵌入式操作系統必備的一個功能。