摘要：在嵌入式實時操作系統中，如何在操作系統層面盡量降低系統功耗已成為一個值得研究的問題。本文以嵌入式實時操作系統μC/OSII為例，以飛思卡爾8位單片機HCS08GT60作為硬件平臺，詳細討論如何實現一個低功耗的實時操作系統，如何利用μC/OSII內核擴展接口省電；詳細分析如何選擇一種合適的單片機低功耗模式，說明利用μC/OSII內核擴展接口實現一個低功耗系統的可行性。

關鍵詞：μC/OS-II 內核擴展接口 HCS08GT60 低功耗模式

引 言

　　隨著消費類電子產品的功能日益復雜，在其中移植或固化實時操作系統已不是新鮮事了，如手機、PDA等等。對于該類產品，低功耗特性往往占有舉足輕重的地位。如何在操作系統層面上，盡量降低系統功耗，是一個值得探討的問題。一般來說，嵌入式CPU都具有低功耗的工作模式，如果在任務調度的空閑時間，使CPU進入這種模式，就能大幅度降低系統功耗。

　　本文以嵌入式實時操作系統μC/OS-II在飛思卡爾8位單片機HCS08GT60上的移植為例，詳細討論如何利用μC/OS-II給出的內核擴展接口，實現一個低功耗的嵌入式實時系統；進一步分析如何選擇一種合適的低功耗模式。μC/OS-II是一種可移植、可固化、可裁剪的可剝奪型多任務內核。由于其源碼公開、注釋詳盡、內核設計概念清晰，已成為世界上學習和使用頻率較高的實時操作系統。2000年7月，μC/OS-II V2.52通過了美國航空航天管理局的安全認證，其可靠性得到了進一步的驗證。利用任務調度的空閑時間使CPU進入低功耗模式，以降低系統功耗這一思想在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，實現一個實時的低功耗系統。

1 利用空閑任務擴展接口使CPU進入低功耗模式

　　實現μC/OS-II低功耗特性的方法很簡單：用戶可以利用μC/OS-II中空閑任務的擴展接口，使系統在空閑狀態下進入某種低功耗模式，降低系統功耗；同時利用RTI信號作為時鐘節拍，周期性地喚醒CPU。CPU被喚醒之后，將執行節拍中斷服務程序，重新判斷是否有任務處于就緒態。如果有，就執行該任務；如果沒有，則重復上面的過程。

　　μC/OS-II多可以管理64個任務，并為每一個任務分配一個不同的優先級。每一個任務有五種可能的狀態――睡眠態、就緒態、運行態、等待態和中斷服務態。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的優先級的任務。一旦優先級高的任務進入就緒態，就可以將CPU從低優先級任務中搶過來。

　　在μC/OS-II初始化時，會建立一個優先級的任務――空閑任務，在沒有任務進入就緒態的時候，空閑任務就會開始運行。空閑任務會調用一個函數――OSTaskIdleHook()。這是留給用戶使用的內核擴展接口。空閑任務實際上并沒有什么事情可做①，只是一個等待中斷的無限循環。因此用戶可以利用OSTaskIdleHook()，使CPU進入低功耗模式。

① 事實上，空閑任務可以為統計任務提供一個計數，用以統計CPU的利用率，但該工作完全可以在改動OSTaskIdleHook()之前運行。

　　用戶不必擔心整個內核因為系統進入低功耗模式而停止運行。因為HCS08GT60允許RTI時鐘周期性地將CPU喚醒。喚醒之后的系統會和遇到節拍中斷一樣，進入OSTickISR()中斷服務程序，查看是否有任務進入了就緒態。如果還沒有，就再次進入低功耗模式。對于HCS08GT60，允許RTI時鐘的低功耗模式有WAIT模式、STOP2模式和STOP3模式三種，其功耗、系統恢復時間、喚醒中斷源等各不相同。下面介紹如何選擇一種合適的低功耗模式。

2 選擇合適的低功耗模式

2.1 HCS08GT60的低功耗模式

　　考慮到后面的討論要涉及到具體的低功耗模式，所以首先介紹一下單片機HCS08GT60的低功耗特性。HCS08GT60屬于飛思卡爾（原Motorola）HCS08系列單片機。該系列單片機的低功耗特性很突出；工作電壓可以在1.8~3.6 V之間選擇，有WAIT和STOP兩種低功耗模式。STOP模式可細分為STOP3、STOP2和STOP1三種，功耗依次降低。WAIT模式下， CPU停止運行，但其他外圍模塊并不斷電，因此，系統隨時可以響應各種中斷。HCS08GT60的三種STOP模式如表1所列。

　　　　　　　　　　　　　　　　表1三種STOP子模式的特點
　　　　　　

　　從表1可以看出，在STOP1模式中，喚醒CPU只能通過IRQ中斷或復位信號，由于無法提供時鐘節拍，內核的任務調度無法實現；而在STOP2和STOP3中，RTI都可以作為系統的喚醒中斷源，內核可以使用RTI作為時鐘節拍。

　　STOP2模式與STOP3模式相比功耗更低；但是，STOP2模式下I/O寄存器是關閉的，必須在進入模式之前將I/O寄存器的值保存在RAM中，而在喚醒之后再從RAM拷貝到I/O寄存器。喚醒STOP2可以使用IRQ、復位信號和RTI。STOP3模式下，RAM和I/O寄存器內容將保持。另外，除STOP2模式允許的喚醒中斷源外，還允許鍵盤中斷喚醒CPU。

2.2 實時性、中斷源和功耗影響低功耗模式的選擇有三個主要因素：功耗、中斷源和實時性。

(1) 功耗

　　前文中已經提到，適用于μC/OS-II的低功耗模式（即允許RTI喚醒）有三種：WAIT模式、STOP3模式和STOP2模式。系統在這三種模式下的功耗逐漸降低。表2列出了3.12 V供電下，三種模式的典型功耗。

　　　　　　　　　　　　　　表2STOP2、STOP3和WAIT模式下的功耗
　　　　　　

　　μC/OS-II為用戶提供了一個統計任務，用以計算CPU的利用率，并保存在變量OSCPUUsage（%）中。用戶可以在加入低功耗處理前②，使用統計任務計算出CPU利用率，從而粗略地估算出系統的功耗。

② 計算必須在改動OSTaskIdleHook()之前進行，因為一旦系統進入任何一種低功耗模式，空閑任務將不能給變量OSIdleCtr繼續加1。

　　假設系統正常運行時，消耗電流為1 mA，CPU利用率是1%，則以下是選擇三種不同低功耗模式后的消耗電流。

　　STOP2: 1 mA×1%+890 nA×99％=10.881 μA,系統功耗降低98.9%。

　　STOP3③: 1 mA×1％+14.5 μA×99％=24.355 μA，系統功耗降低97.6%。

③ 使用以32 kHz晶振為時鐘源的RTI。

　　WAIT: 1 mA×1％+560 μA×99％=564.4 μA，系統功耗降低43.6%。

　　系統功耗當然越小越好，但當考慮到其他因素時，系統功耗就未必能夠達到了。

(2) 中斷源

　　系統用到的中斷源限制了低功耗模式的使用。為了保證μC/OS-II正常運行，系統所用到的中斷必須能夠喚醒處于低功耗模式下的CPU。

　　WAIT模式雖然功耗較大，但能夠響應任何中斷源；STOP3模式下，系統保留了RTI、IRQ、KBI和復位作為喚醒中斷；而在STOP2模式下，只有IRQ、復位和RTI可以喚醒系統。

(3) 實時性

　　毫無疑問，使CPU進入低功耗模式會減弱系統的實時性。這種減弱來自于兩個方面，一是使中斷響應時間變長；二是使響應的時間變得不易預測。

　　系統從低功耗模式中被喚醒后，時鐘往往需要一段時間穩定，有時候還需要軟件做內核運行環境的恢復工作（如STOP2下的寄存器恢復），中斷的響應時間就被拉長了。同時，由于時鐘恢復的時間和供電電壓、時鐘源、環境溫度都有密切的關系，實際上不可能給出一個準確的恢復時間，中斷響應的時間也就變得不易預測了。在實時系統中，響應時間的不可預測往往比響應得慢更為致命，一個響應速率時快時慢的系統只能以壞的情況作估計。所幸的是，大多數低功耗應用（如手機、PDA等）都不是硬實時系統，換句話說，并沒有一個的響應時間限制。大多數情況下，采用低功耗處理所帶來的實時性減弱可以被忍受。

　　WAIT模式對響應時間影響小。由于沒有停止系統時鐘，WAIT模式對中斷的響應基本都是同步的。

　　STOP3模式恢復的時間和時鐘設置關系很大。除了FBE時鐘方案外(使用外時鐘、不使用鎖相環)，恢復時間都在100 μs左右。如果采用FBE，恢復時間就和晶振頻率密切相關了。一般32 kHz晶振需要180～300 ms恢復穩定，假如在STOP3模式下將晶振保持打開，則只需要2.42 ms。

　　STOP2模式的恢復時間在50 μs④左右。但是，因為需要將在RAM中保存的I/O寄存器恢復，可能另外還需要幾十個指令周期。

④以上恢復時間均為實測值。

　　表面上STOP2的恢復時間比STOP3的恢復時間短，但是考慮到進入STOP2之后RTI時鐘源會從外部晶振調整為內部晶振，多可能與實際系統相差1個時鐘節拍。

3 μC/OS-II在HCS08GT60上的移植

　　μC/OS-II的95％代碼是由ANSI C寫成的，具有很好的移植性。如何移植μC/OS-II可以參閱文獻[1]。這里只強調一下時鐘節拍的選擇。為了實現時間延時和確認超時，μC/OS-II需要系統提供一個10～100 Hz的周期性信號。我們選擇實時時鐘中斷（RTI）作為μC/OS-II的時鐘。這主要是考慮在HCS08GT60處于WAIT或者STOP2/3模式下，RTI仍然可以作為喚醒系統的中斷源。需要注意，在運行和等待模式下，RTI的時鐘只能由外部晶振提供；在STOP3模式下，RTI時鐘可以由外部晶振或是內部晶振提供；在STOP2模式下，RTI只能由內部時鐘提供。為了盡量不改動時鐘源，建議使用1個32.768 kHz的外部晶振提供系統時鐘和RTI時鐘，在運行、WAIT和STOP3模式下，RTI的時鐘源始終不變;而在STOP2模式下，用戶只能使用內部時鐘發生器提供的RTI時鐘源。

4 結論

　　仔細分析1個低功耗實時系統會發現,有很多因素左右著系統功耗，各因素之間往往會相互影響，相互制約。例如，為了保證實時性，盡量不改動時鐘設置，使用了32.768 kHz的外部晶振作為RTI時鐘源，并利用鎖相環將該頻率升高，作為系統總線時鐘。從操作系統角度分析，CPU可以進入低功耗模式，系統功耗降低了。但是，因為使用了鎖相環，也會給系統帶來額外的功耗。對于一個實際系統，這種做法到底是提高還是降低了系統功耗，只能通過CPU占用率、節拍頻率等條件具體分析了。

　　因此，要選擇一套合理的軟硬件設置來降低功耗，就必須全盤考慮，不能僅僅局限于操作系統的角度。