一种利用实时时钟降低嵌入式系统功耗的方法

　　1.嵌入式CPU低功耗模式介绍

　　众所周知，低功耗已经是衡量一个嵌入式系统的重要指标。而作为嵌入式系统的核心，嵌入式CPU的功耗则对整个系统起着重要的作用。当前流行的嵌入式系统CPU，基本都提供低功耗特性。一般而言，当嵌入式CPU都会有工作模式与低功耗模式，而低功耗模式又可进一步分为空闲模式，休眠模式，睡眠模式等。进入低功耗模式后，CPU的功耗会降低很多。而外部中断发生时，可以将CPU唤醒。一个嵌入式系统运行起来后，当系统进入idle状态时，就可以让CPU进入低功耗模式，而当外部中断发生时，再唤醒CPU，重新回到工作模式。让CPU尽可能多的处于低功耗模式，可以大大降低系统的功耗。然而，即使系统处于idle而且没有别的工作要做，系统实时时钟的中断，也会不停的唤醒CPU，从而增加系统功耗。因此，可以考虑对系统实时时钟的中断进行修改，从而减少对系统功耗的影响。

　　2．系统实时时钟与功耗的关系分析

在目前的嵌入式系统中，系统实时时钟一般是一个硬件循环计数器。当硬件计数器计到一定数值时会向CPU发出中断。系统实时时钟是现代多任务嵌入式操作系统的重要组成部分，因此我们需要先讨论一下嵌入式操作系统与系统实时时钟的关系。当今的嵌入式操作系统一般都支持多任务，优先级和时间片调度。当嵌入式OS运行起来后，一般都有一个IDLE任务，它的优先级最低，而其他任务的优先级都应该比它高。在优先级调度机制中，只有当系统中其他高优先级任务都处于阻塞状态时，它才有机会运行。时间片调度机制只对同优先级的任务有效。也就是说，不同优先级的任务之间是不会按时间片调度轮转的，而是按优先级来调度的。因此当系统进入IDLE任务时，可以认为系统中没有工作要CPU来做，系统为idle状态。当时间片调度机制开启后，嵌入式OS就会根据时间片来调度任务。也就是当一个时间片用完后，要运行调度器来决定下一个时间片的归属。时间片的基本单位是系统tick，而系统tick是以系统实时时钟为基础的。当系统实时时钟中断产生时，CPU会将系统tick加1。每当系统tick增加n（一个时间片）时，嵌入式OS将启用调度器进行时间片调度。因此，当时间片调度机制开启后，就需要系统tick的实时更新和调度器的定时运行，也就需要实时时钟中断以很高的频率定时产生。如果关闭时间片调度机制，则任务之间只需要按照优先级来调度，这样就不需要计算时间片，也就是系统tick不用实时更新，实时时钟的中断不必以很高的频率产生，调度器也不用定时运行。这样就有可能考虑延长实时时钟的中断间隔。同时调度器不需要进行时间片调度，可以节省系统开销。但关闭时间片调度后，系统就只有优先级调度。这就要求系统的所有任务要主动阻塞，而不要期待调度器把同优先级的其他任务调度出CPU而让自己运行。在目前流行的嵌入式操作系统中，一般都提供了很多主动阻塞的机制，因此要做到这一点并不难。延长实时时钟的中断间隔，可以让CPU长期处于低功耗状态，直到有设备中断唤醒CPU。这样将大大减低系统在空闲时的功耗。延长实时时钟中断间隔后，需要考虑的问题有两个，一是系统tick，另一个是系统delay。系统tick是实时时钟和操作系统之间的接口，操作系统与时间相关的模块和API，基本都是基于tick的。在一般系统中，实时时钟的中断是每个tick一次。因此tick是操作系统最小的计时单位。延长实时时钟中断间隔后，系统tick就会长时间不增加，因此怎样保证系统tick的准确性，就是最基本的问题。解决了tick的准确性，就可以隔离实时时钟对操作系统的影响。系统delay是操作系统一种重要的阻塞机制，它主要用于让一个任务主动让出CPU一段时间。一般系统delay是基于系统实时时钟的，系统delay的基本单位就是tick。当调用delay时，API函数会首先得到当前系统tick，然后加上需要delay的时间，形成一个未来的delay时间点，再将任务挂到系统的delay队列上。因此delay队列上的所有任务都对应一个自己的delay时间点。当系统tick超过某个任务的delay时间点时，该任务就应该醒来。这就需要实时时钟的中断来唤醒CPU，并运行调度器让delay的任务重新进入就绪队列。如果实时时钟中断间隔延长，系统tick就会很长时间不增加，就很难保证delay的准确性。同时delay时间到达后，也无法唤醒任务。要保证系统tick的准确性，就要求每次主动获得系统tick时，需要通过实时时钟硬件计数器的值计算出当前的系统tick。同时，需要保证主动获取和实时时钟中断之间的同步。而对于系统delay，则需要修改硬件计数器的计数值，使其