基于嵌基于μC/OS-II嵌入式实时操作系统的低功耗开发

　　本文将依次从系统硬件设计、系统软件设计、利用μC／OS-II给出的内核扩展接口和产品应用特点这四个方面系统地讨论低功耗系统设计。

　　3.2 硬件低功耗设计

　　3.2.1 低功耗设计的器件

　　选择低功耗的电子器件可以从根本上降低整个硬件系统的功耗。嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，消耗大量的功率，因此设计时应选用低功耗的处理器；另外，选择低功耗的通信收发器(对于通信应用系统)、低功耗的外围电路。

　　本文中使用的微控制器是夏普公司的LH79520。LH79520有五种工作模式，分别是：运行模式、休眠模式、睡眠模式、停止模式1、停止模式2。处于不同的工作模式下，微控制器消耗的功率不同，处于运行模式的微控制器消耗的功率最多，处于停止模式2的微控制器消耗的功率最少。

　　3.2.2 低功耗电路

　　目前的半导体工艺主要有TTL工艺和CMOS工艺，CMOS工艺具有很低的功耗，在电路设计上尽量选用，使用CMLS系列电路时，其不用的输入端不要悬空，因为悬空的输入端可能存在的感应信号造成高低电平的转换，转换器件的功耗很大，尽量采用输出为高的原则。同时尽量使用集成度高的器件，减少电路中使用的元件的个数，从而减少整机的功耗。

　　3.2.3 分区／分时供电技术

　　一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作，基于此，可采用分时／分区供电技术。原理是利用“开关”控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，仅保留工作部分的电源。

　　本文使用的硬件平台，使用了TI公司的直流电源转换芯片TPS5430，给其他辅助板和主控板上的外设提供电源。

　　3.2.4 降低处理器的时钟频率

　　处理器的工作频率和功耗的关系很大，频率越高，功耗越大。可以动态改变处理器的时钟以降低系统的总功耗。微控制器空闲时降低时钟频率；处于工作状态时，提高时钟频率，全速运行处理事务。

　　本文使用的硬件平台的控制板所使用的时钟，使用了外部晶振和锁相环技术，可以在很宽的范围内调整系统时钟。

　　3.3 软件部分的设计

　　至今，还没有一个严格的标准来判断一个软件的低功耗特性，但是，设计者仍需尽量将应用的低功耗特性反映在软件中，以避免那些“看不见”的功耗损失。

　　3.3.1 中断与查询

　　一个程序使用中断方式还是查询方式对于一些简单的应用并不那么重要，但在其低功耗特性上却相去甚远。使用中断方式，微控制器可以什么都不做，甚至可以进入等待模式或停止模式；而查询方式下，微控制器必须不停地访问I／O寄存器，这会带来很多额外的功耗。

　　本文是通过中断通信方式与片上的两个串口资源进行通信，而非采用查询的方式，减少了串口占用处理器的工作时间，有效地降低了系统的功耗。

　　3.3.2 宏的使用

　　读RAM会比读Flash带来更大的功耗，正是因为如此，低功耗性能突出的ARM微控制器在设计上仅允许一次子程序调用。因为微控制器进入子程序时，会首先将当前微控制器寄存器推入堆栈(RAM)，在离开时又将微控制器寄存器弹出堆栈，这样至少带来两次对RAM的操作。因此，考虑用宏定义来代替子程序调用。调用一个子程序还是一个宏在程序写法上并没有什么不同，但宏会在编译时展开，微控制器只是顺序执行指令，避免了调用子程序。这实际上是一种以空间换时间的思想。这样做，不仪提高了程序的执行效率，同时可以减少系统的功耗。

　　3.3.3 减少微控制器的运算量

　　将一些运算的结果预先算好，放在Flash中，用查表的方法替代实时的计算，减少微控制器的运算工作量，可以有效地降低微控制器的功耗；不可避免的实时计算，算到精度够了就结束，避免“过度”的计算；尽量使用短的数据类型，在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也可以减少功耗。

　　3.3.4 减少微处理器的工作时间

　　尽量减少CPU的全速运行时间以降低系统的功耗，使微控制器较长地处于空闲方式或掉电方式是用软件设计降低系统功耗的关键。让它尽量在短时间内完成对信息或数据的处理，然后就进入空闲或掉电方式，在关机状态下让它完全进入掉电方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒。

　　3.4 基于μC／OS-II内核扩展接口的低功耗模式

　　利用任务调度的空闲时间使微控制器进入低功耗模式，以降低系统功耗这一思想在μC／OS-II内核设计之初就被注意到了。为此设计者特意留出了相应的内核扩展接口。用户可以利用此接口，实现一个实时的低功耗系统。

　　3.4.1、μC／OS-II的空闲任务扩展接口

　　实现μC／OS-II低功耗特性的方法：利用μC／OS-II中空闲任务的扩展接口，使系统在空闲状态下进入某种低功耗模式，降低系统功耗；利用时钟节拍(本文使用LH79520内部定时器0作为时钟节拍)，周期性地唤醒CPU。CPU被唤醒之后，将执行节拍中断服务程序，重新判断是否有任务处于就绪态，如果有，就执行该任务；如果没有，则重复上面的过程。

　　μC／OS-II最多可以管理64个任务，并为每一个任务分配一个不同的优先级。每一个任务有五种可能的状态――睡眠态、就绪态、运行态、等待态和中断服务态。μC／OS-II属于可剥夺型内核，也就是说，μC／OS-II总是运行进入就绪状态的优先级最高的任务。一旦优先级高的任务进入就绪态，就可以将CPU从低优先级任务中抢过来。在μC／OS-II初始化时，会建立一个优先级最低的任务――空闲任务，在没有任务进人就绪态的时候，空闲任务就会开始运行。空闲任务会调用一个函数――OSTaskI-dleHook()。这是留给用户使用的内核扩展接口。空闲任务实际上并没有什么事情可做，只是一个等待中断的无限循环。因此用户可以利用OSTaskIdleHook()，使CPU进入低功耗模式。