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。