基于μCOS-II嵌入式系統(tǒng)的低功耗開發(fā)

隨著嵌入式系統(tǒng)應用的日益廣泛，如何實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的低功耗開發(fā)已經成為嵌入式應用發(fā)展的關鍵技術之一，是近幾年來人們在嵌入式系統(tǒng)的設計中普遍關注的難點與熱點。嵌入式系統(tǒng)正被廣泛應用于移動性較強的產品中去，而這些產品不是一直有充足的電源供應，往往需要電池來供電，因此，設計人員需要從每一個細節(jié)來考慮降低系統(tǒng)的功率消耗，從各個方面去實現(xiàn)降低系統(tǒng)的功耗。同時功耗對終端設備的成本及體積大小有顯著影響。
本文結合FM電臺手持式測試儀這一實例，從系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計、利用內核擴展接口和產品應用特點這四個方面深入地討論了基于μC／OS-II嵌入式系統(tǒng)丌發(fā)中低功耗系統(tǒng)的設計。

1、嵌入式系統(tǒng)概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義

根據IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的定義：嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置。

1.2 嵌入式操作系統(tǒng)

從20世紀80年代開始，市場上出現(xiàn)各種各樣的商用嵌入式操作系統(tǒng)，主要有VxWorks、Psos、Neculeus、QNX、Linux、Windows CE等。

本文使用的μC／OS-II是一個典型的實時操作系統(tǒng)。它的特點可以以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳細，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內核屬于搶占式。

2、研究主題的平臺簡介

2.1 本文硬件平臺是基于FM電臺手持式測試儀的一套開發(fā)平臺。

FM電臺手持式測試儀由主控板、信號源板、測量板組成，其結構框圖見圖1。

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主控板包括嵌入式微控制器(SHARPLH79520)、存儲芯片(NAND FLASH)、CPLD(用于總線擴展)、并口轉串口芯片(ST16C16554)、直流電源轉換芯片(TI公司TPS5430)、實時時鐘芯片等。主控板主要用于控制信號源板的操作和測量板的操作。信號源板主要用于調制射頻信號、發(fā)送調制信號和音頻信號，以及接收電臺發(fā)出的信號、解調射頻信號等。測量板主要用于測量射頻頻率、射頻功率、射頻電平、音頻頻率、音頻電平、失真等電臺參數(shù)。

2.2 研究目標

本文主要研究嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II在FM電臺手持式測試儀中的應用，從硬件、軟件、操作系統(tǒng)和產品應用特點這四個層面上，討論如何降低系統(tǒng)的功耗。FM電臺手持式測試儀的體系結構如圖2。

3、低功耗系統(tǒng)的設計

3.1 低功耗系統(tǒng)設計概述

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，功耗問題是近幾年來人們在嵌入式系統(tǒng)的設計中普遍關注的難點與熱點。系統(tǒng)的低功耗設計，并非是某一個方面、某一個角度的解決方案，而應當從系統(tǒng)級的設計考慮功耗的節(jié)省，是一個硬件設計與軟件控制相互結合的協(xié)調過程。

本文將依次從系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計、利用μC／OS-II給出的內核擴展接口和產品應用特點這四個方面系統(tǒng)地討論低功耗系統(tǒng)設計。

3.2 硬件低功耗設計

3.2.1 低功耗設計的器件

選擇低功耗的電子器件可以從根本上降低整個硬件系統(tǒng)的功耗。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，消耗大量的功率，因此設計時應選用低功耗的處理器；另外，選擇低功耗的通信收發(fā)器(對于通信應用系統(tǒng))、低功耗的外圍電路。

本文中使用的微控制器是夏普公司的LH79520。LH79520有五種工作模式，分別是：運行模式、休眠模式、睡眠模式、停止模式1、停止模式2。處于不同的工作模式下，微控制器消耗的功率不同，處于運行模式的微控制器消耗的功率最多，處于停止模式2的微控制器消耗的功率最少。

3.2.2 低功耗電路

目前的半導體工藝主要有TTL工藝和CMOS工藝，CMOS工藝具有很低的功耗，在電路設計上盡量選用，使用CMLS系列電路時，其不用的輸入端不要懸空，因為懸空的輸入端可能存在的感應信號造成高低電平的轉換，轉換器件的功耗很大，盡量采用輸出為高的原則。同時盡量使用集成度高的器件，減少電路中使用的元件的個數(shù)，從而減少整機的功耗。

3.2.3 分區(qū)／分時供電技術

一個嵌入式系統(tǒng)的所有組成部分并非時刻在工作，基于此，可采用分時／分區(qū)供電技術。原理是利用“開關”控制電源供電單元，在某一部分電路處于休眠狀態(tài)時，關閉其供電電源，僅保留工作部分的電源。

本文使用的硬件平臺，使用了TI公司的直流電源轉換芯片TPS5430，給其他輔助板和主控板上的外設提供電源。

3.2.4 降低處理器的時鐘頻率

處理器的工作頻率和功耗的關系很大，頻率越高，功耗越大。可以動態(tài)改變處理器的時鐘以降低系統(tǒng)的總功耗。微控制器空閑時降低時鐘頻率；處于工作狀態(tài)時，提高時鐘頻率，全速運行處理事務。

本文使用的硬件平臺的控制板所使用的時鐘，使用了外部晶振和鎖相環(huán)技術，可以在很寬的范圍內調整系統(tǒng)時鐘。

3.3 軟件部分的設計

至今，還沒有一個嚴格的標準來判斷一個軟件的低功耗特性，但是，設計者仍需盡量將應用的低功耗特性反映在軟件中，以避免那些“看不見”的功耗損失。

3.3.1 中斷與查詢

一個程序使用中斷方式還是查詢方式對于一些簡單的應用并不那么重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠。使用中斷方式，微控制器可以什么都不做，甚至可以進入等待模式或停止模式；而查詢方式下，微控制器必須不停地訪問I／O寄存器，這會帶來很多額外的功耗。

本文是通過中斷通信方式與片上的兩個串口資源進行通信，而非采用查詢的方式，減少了串口占用處理器的工作時間，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

3.3.2 宏的使用

讀RAM會比讀Flash帶來更大的功耗，正是因為如此，低功耗性能突出的ARM微控制器在設計上僅允許一次子程序調用。因為微控制器進入子程序時，會首先將當前微控制器寄存器推入堆棧(RAM)，在離開時又將微控制器寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對RAM的操作。因此，考慮用宏定義來代替子程序調用。調用一個子程序還是一個宏在程序寫法上并沒有什么不同，但宏會在編譯時展開，微控制器只是順序執(zhí)行指令，避免了調用子程序。這實際上是一種以空間換時間的思想。這樣做，不儀提高了程序的執(zhí)行效率，同時可以減少系統(tǒng)的功耗。

3.3.3 減少微控制器的運算量

將一些運算的結果預先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實時的計算，減少微控制器的運算工作量，可以有效地降低微控制器的功耗；不可避免的實時計算，算到精度夠了就結束，避免“過度”的計算；盡量使用短的數(shù)據類型，在精度允許的情況下，使用簡單函數(shù)代替復雜函數(shù)作近似，也可以減少功耗。

3.3.4 減少微處理器的工作時間

盡量減少CPU的全速運行時間以降低系統(tǒng)的功耗，使微控制器較長地處于空閑方式或掉電方式是用軟件設計降低系統(tǒng)功耗的關鍵。讓它盡量在短時間內完成對信息或數(shù)據的處理，然后就進入空閑或掉電方式，在關機狀態(tài)下讓它完全進入掉電方式，用定時中斷、外部中斷或系統(tǒng)復位將它喚醒。

3.4 基于μC／OS-II內核擴展接口的低功耗模式

利用任務調度的空閑時間使微控制器進入低功耗模式，以降低系統(tǒng)功耗這一思想在μC／OS-II內核設計之初就被注意到了。為此設計者特意留出了相應的內核擴展接口。用戶可以利用此接口，實現(xiàn)一個實時的低功耗系統(tǒng)。

3.4.1、μC／OS-II的空閑任務擴展接口

實現(xiàn)μC／OS-II低功耗特性的方法：利用μC／OS-II中空閑任務的擴展接口，使系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下進入某種低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗；利用時鐘節(jié)拍(本文使用LH79520內部定時器0作為時鐘節(jié)拍)，周期性地喚醒CPU。CPU被喚醒之后，將執(zhí)行節(jié)拍中斷服務程序，重新判斷是否有任務處于就緒態(tài)，如果有，就執(zhí)行該任務；如果沒有，則重復上面的過程。

μC／OS-II最多可以管理64個任務，并為每一個任務分配一個不同的優(yōu)先級。每一個任務有五種可能的狀態(tài)——睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)和中斷服務態(tài)。μC／OS-II屬于可剝奪型內核，也就是說，μC／OS-II總是運行進入就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務。一旦優(yōu)先級高的任務進入就緒態(tài)，就可以將CPU從低優(yōu)先級任務中搶過來。在μC／OS-II初始化時，會建立一個優(yōu)先級最低的任務——空閑任務，在沒有任務進人就緒態(tài)的時候，空閑任務就會開始運行?？臻e任務會調用一個函數(shù)——OSTaskI-dleHook()。這是留給用戶使用的內核擴展接口?？臻e任務實際上并沒有什么事情可做，只是一個等待中斷的無限循環(huán)。因此用戶可以利用OSTaskIdleHook()，使CPU進入低功耗模式。

4、FM電臺手持式測試儀的低功耗設計

4.1 FM電臺手持式測試儀低功耗設計的思想

當目標板上的按鍵在一定時間內沒有被按下時，F(xiàn)M電臺手持式測試儀進入低功耗工作模式。在FM電臺手持式測試儀進入到低功耗工作模式后，按下FM電臺手持式測試儀上任何一個按鍵(通過按鍵產生中斷喚醒微控制器)，讓FM電臺手持式測試儀返回到正常的工作模式。其工作流程如圖3。

4.2 進入低功耗模式前的設置

在進入低功耗工作模式前，需要完成以下幾個操作。首先，要使能并初始化外部中斷(INT5)；其次，關閉測量板、信號源板的工作電源；最后，執(zhí)行關閉目標板上液晶顯示屏電源、隔離總線等操作。

4.3 設置LH79520的低功耗工作模式

在完成進入低功耗模式前的設置后，需要讓微控制器LH79520進入低功耗工作模式，從而讓測試儀進入到低功耗工作模式。微控制器LH79520的不同功耗工作模式的選擇是通過設置RCPC寄存器來實現(xiàn)的。

4.4 喚醒微控制器LH79520

當微控制器LH79520處于低功耗工作模式時，給微控制器LH79520能夠識別的中斷信號，即可讓微控制器LH79520從低功耗工作模式返回到正常的工作模式。

本文使用的目標板是通過外部中斷5來喚醒微控制器LH79520。外部中斷5引腳與目標板的鍵盤相連。在使能外部中斷5之后，同時設計外部中斷5為低電平觸發(fā)中斷。這樣，一旦按下鍵盤，就會產生一個低電平信號，從而觸發(fā)外部中斷5，以此來喚醒微控制器LH79520。

4.5 喚醒系統(tǒng)后的設置

當從低功耗工作模式喚醒后，進入到正常的工作模式時，需要完成以下幾個操作。首先，關閉外部中斷5；其次，給液晶屏供電，點亮液晶屏，同時，使能外部總線，使其可以與其他外設進行通信；然后，給信號源板和測量板供電。

5、結束語

本文首先從硬件和操作系統(tǒng)的層面上，討論如何降低系統(tǒng)的功耗；然后，從軟件代碼的設計和產品應用的特點研究如何減少系統(tǒng)的功率消耗。通過FM電臺手持式測試儀驗證，當測試儀處于正常工作模式時，電流是300多毫安；處于節(jié)電模式時，消耗的電流僅為幾個微安。實踐表明，本文提出的低功耗設計方案對降低系統(tǒng)功耗的作用是顯而易見的。