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。
表2STOP2、STOP3和WAIT模式下的功耗
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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。
② 计算必须在改动OSTaskIdleHook()之前进行,因为一旦系统进入任何一种低功耗模式,空闲任务将不能给变量OSIdleCtr继续加1。
假设系统正常运行时,消耗电流为1 mA,CPU利用率是1%,则以下是选择三种不同低功耗模式后的消耗电流。
STOP2: 1 mA%26;#215;1%+890 nA%26;#215;99%=10.881 μA,系统功耗降低98.9%。
STOP3③: 1 mA%26;#215;1%+14.5 μA%26;#215;99%=24.355 μA,系统功耗降低97.6%。
③ 使用以32 kHz晶振为时钟源的RTI。
WAIT: 1 mA%26;#215;1%+560 μA%26;#215;99%=564.4 μA,系统功耗降低43.6%。
系统功耗当然越小越好,但当考虑到其他因素时,系统功耗就未必能够达到最低了。
(2) 中断源
系统用到的中断源限制了低功耗模式的使用。为了保证μC/OS-II正常运行,系统所用到的中断必须能够唤醒处于低功耗模式下的CPU。
WAIT模式虽然功耗较大,但能够响应任何中断源;STOP3模式下,系统保留了RTI、IRQ、KBI和复位作为唤醒中断;而在STOP2模式下,只有IRQ、复位和RTI可以唤醒系统。
(3) 实时性
毫无疑问,使CPU进入低功耗模式会减弱系统的实时性。这种减弱来自于两个方面,一是使中断响应时间变长;二是使响应的时间变得不易预测。
系统从低功耗模式中被唤醒后,时钟往往需要一段时间稳定,有时候还需要软件做内核运行环境的恢复工作(如STOP2下的寄存器恢复),中断的响应时间就被拉长了。同时,由于时钟恢复的时间和供电电压、时钟源、环境温度都有密切的关系,实际上不可能给出一个准确的恢复时间,中断响应的时间也就变得不易预测了。在实时系统中,响应时间的不可预测往往比响应得慢更为致命,一个响应速率时快时慢的系统只能以最坏的情况作估计。所幸的是,大多数低功耗应用(如手机、PDA等)都不是硬实时系统,换句话说,并没有一个绝对的响应时间限制。大多数情况下,采用低功耗处理所带来的实时性减弱可以被忍受。
WAIT模式对响应时间影响最小。由于没有停止系统时钟,WAIT模式对中断的响应基本都是同步的。
STOP3模式恢复的时间和时钟设置关系很大。除了FBE时钟方案外(使用外时钟、不使用锁相环),恢复时间都在100 μs左右。如果采用FBE,恢复时间就和晶振频率密切相关了。一般32 kHz晶振需要180~300 ms恢复稳定,假如在STOP3模式下将晶振保持打开,则只需要2.42 ms。
STOP2模式的恢复时间在50 μs④左右。但是,因为需要将在RAM中保存的I/O寄存器恢复,可能另外还需要几十个指令周期。
④以上恢复时间均为实测值。
表面上STOP2的恢复时间比STOP3的恢复时间短,但是考虑到进入STOP2之后RTI时钟源会从外部晶振调整为内部晶振,最多可能与实际系统相差1个时钟节拍。
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3 μC/OS-II在HCS08GT60上的移植[/b]
μC/OS-II的95%代码是由ANSI C写成的,具有很好的移植性。如何移植μC/OS-II可以参阅文献[1]。这里只强调一下时钟节拍的选择。为了实现时间延时和确认超时,μC/OS-II需要系统提供一个10~100 Hz的周期性信号。我们选择实时时钟中断(RTI)作为μC/OS-II的时钟。这主要是考虑在HCS08GT60处于WAIT或者STOP2/3模式下,RTI仍然可以作为唤醒系统的中断源。需要注意,在运行和等待模式下,RTI的时钟只能由外部晶振提供;在STOP3模式下,RTI时钟可以由外部晶振或是内部晶振提供;在STOP2模式下,RTI只能由内部时钟提供。为了尽量不改动时钟源,建议使用1个32.768 kHz的外部晶振提供系统时钟和RTI时钟,在运行、WAIT和STOP3模式下,RTI的时钟源始终不变;而在STOP2模式下,用户只能使用内部时钟发生器提供的RTI时钟源。
4 结论
仔细分析1个低功耗实时系统会发现,有很多因素左右着系统功耗,各因素之间往往会相互影响,相互制约。例如,为了保证实时性,尽量不改动时钟设置,使用了32.768 kHz的外部晶振作为RTI时钟源,并利用锁相环将该频率升高,作为系统总线时钟。从操作系统角度分析,CPU可以进入低功耗模式,系统功耗降低了。但是,因为使用了锁相环,也会给系统带来额外的功耗。对于一个实际系统,这种做法到底是提高还是降低了系统功耗,只能通过CPU占用率、节拍频率等条件具体分析了。
因此,要选择一套合理的软硬件设置来降低功耗,就必须全盘考虑,不能仅仅局限于操作系统的角度。
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