无线传感器网络基于μC/OS-II的低功耗改进

3.2 软件特性

μC／OS-II是一个简单、高效的嵌入式实时操作系统内核，它具有可抢占的实时多任务调度系统功能，而且提供了用于任务间同步、互斥、通信的系统服务。这些功能可以根据不同需求进行裁减，它的最小化内核能编译到2 KB，目前已经被移植到x86、ARM、PowerPC、MIPS等众多体系结构上。基于短小精悍、可移植性强的特点，μC／OS-II很适用于无线传感器网络节点芯片。

3.3 μC／OS-Il在ATmega128L上的移植

(1) 定义基本配置

◇定义编译器相关的数据类型；
◇定义允许和禁止中断宏；
◇定义栈的增长方向；
◇定义用于任务切换的宏OS_TASK_SW()。

(2) 实现OS_CPU_A.ASM文件的系统结构相关函数

OSStaerHighRdy：负责获取新任务的堆栈指针，并从堆栈指针中恢复新任务的所有处理器寄存器。
OSCtxSW：负责保存当前任务的处理器寄存器到堆栈中，并根据需要恢复任务的堆栈指针恢复处理器寄存器。
OSIntCtxSW：在中断时保存当前任务的处理器寄存器，恢复新任务的处理器寄存器。
OSTickISR：定时中断函数。

3.4 μC／OS-II的低功耗改进策略

μC／OS-II是一个可抢占的多任务嵌入式实时操作系统。任务调度采用64级位图优先级算法，每个优先级只允许有一个任务，因此，除去系统保留的8个任务，μC／OS-II共允许用户使用56个优先级不同的任务。这种优先级算法有利于保证系统的实时性，使高优先级任务及时得到响应。但是，这种多任务并发调度并没有考虑低功耗的应用，在资源极其有限的无线传感器网络中很难发挥作用，因此需要对它作些改进。

在μC／OS-II中，当系统中没有其他任务被调度执行时，调度器开始执行空闲任务。该任务执行一个忙等待操作，不断地循环等待中断，因此处理器一直处于运行状态，消耗较多能量。

为保证系统功耗管理的高效率和灵活性，我们提供了相应的机制来确保应用对功耗模式的直接控制，主要包括以下三方面内容： 第一，在设计应用程序时，可以根据需要设置系统的功耗工作模式。在μC／OS-II中为应用程序提供了专门的系统调用接口。

第二，系统在运行过程中，能够根据系统的工作状态自动进行功耗管理，从而使系统工作于与系统状态相适应的功耗模式。

当系统中没有其他活动任务时，空闲任务得到执行，系统自动进入空闲模式；如果有外部事件发生，则系统将回到运行模式。系统在空闲模式的工作时间超过预先设定的值时，系统自动进入休眠功耗模式；如果发生了需要系统应用处理的外部事件，则系统将自动回到运行模式。在休眠模式下，如果没有发生需要系统处理的事件，则系统自动进入睡眠模式。对于睡眠模式，若发生外部事件，则系统回到休眠模式。若该事件对系统来说为有效事件，则系统将进入运行模式。当有任务睡眠时，将该任务挂入睡眠队列。当系统中所有任务都睡眠时，系统进入睡眠模式。当睡眠队列中有任务睡眠时间到期时，触发中断，激活CPU，重新开始调度。

第三，可以使能或不使能某种特定的功耗模式。

在具体实现过程中，采取了如下策略：

①在μC／OS-II内核中扩展了一个睡眠任务队列。该队列接收睡眠的任务，并将这些任务按照睡眠时间长短进行排序。如果位于队列头的任务睡眠时间到期，则从队列中取下该任务，并重新调整队列中的睡眠时间。

②修改μC／OS-II内核的任务调度器，当就绪队列中没有任务执行时，不再执行消耗能量的空循环操作。它首先判断是否有任务被挂起在I／O操作上。如果是，则让系统进入休眠模式。此时，如果外部有效I／O操作发生，则系统恢复运行模式。如果所有任务都调用了SLEEP函数，则使系统进入睡眠模式，然后由睡眠任务队列维护的外部定时器来负责唤醒睡眠的系统。

③实现任务睡眠和功耗模式切换等相关函数。

④实现并封装功耗模式使能、切换等相关函数，提供相应接口供用户任务显式调用。

4 性能测试结果

改进后的μC／OS-II已移植到ATmega128L开发板上，系统运行稳定。表2和表3分别为改进前和改进后在各种软件状态下测得的系统功耗。


5 结 论

无线传感器网络节点作为一种嵌入式设备，很长时间都处于无任务运行的空闲状态。如果能够根据系统的工作状态自动进行功耗管理，使系统工作于与系统状态相适应的功耗模式，那么能够极大地降低系统功耗，从而延长系统的寿命。这在对能耗要求极高的无线传感器网络中有着重要意义。