在μC/OS—II上实现动态电压调节技术

为了计算松弛时间存在时处理器最低可以运行在哪个频率上，引入“变压因子”这个概念。假设DVS模块被调用时所有就绪任务需要的执行时间为TAllReady，距离下一个等待任务恢复的时间为TleastWaiting，那么定义变压因子FlexibleRatio为：

　　当FlexibleRatio>1时，表示当前就绪的任务可以在下一个任务从等待中恢复之前执行完毕，这时可以适当降低CPU的电压和频率，减慢任务的执行速度；当FlexibleRatio1时，表示当前就绪的任务在下一个任务恢复之前都不能执行完毕，所以这个时候可以提高CPU的电压和频率，使当前就绪的任务尽快执行完毕，从而使下一个恢复的任务可以得到尽快的执行；当FlexibleRatio=1时，不需要调整电压和频率。

　　2．3 计算可运行的最低频率

　　处理器的频率厂是和完成任务需要的时间T成正比的。它们之间遵循如下关系：

　　假设当前处理器的运行频率为fcur，完成已经就绪任务需要的时间为Tcur，使任务集可调度的最低频率为fnew，以及在新的频率下完成就绪任务的时间为Tnew，则它们有如下关系：

　　即在某一时刻，满足系统任务可调度的情况下，处理器频率最低可以运行在FlexibleRatio·fcur。

　　3 DVS在μC／OS—II上的详细实现

　　3．1 DVS在μC／OS—II上实现的整体结构

　　根据第2节的分析，一个完整的DVS模块应包括两大部分：一部分是更新DVS任务控制信息，另外一部分是可调度的最低频率的计算。其中，第二个部分又可以分为两个层次，即最低频率的计算和频率的硬件设置部分，这样分层之后有助于改进后μC／OS—II的移植。DVS功能在μC／0S—II的实现总体结构如图3所示，下面详细描述各个部分的实现过程。

　　3．2 更新DVS任务控制信息

　　为了让系统知道每个任务的详细情况，实现过程中建立如下结构体保存任务的信息：

　　该结构体作为任务控制块的一部分，在任务创建时，将μC／OS—II自身预留的任务扩展指针OSTCBExtPtr指向该结构体。这些信息必须在每一个时钟节拍之后都有变化，因此它们必须在每一个时钟节拍进行更新。更新这部分信息的代码被放在OSTimeTickHook()函数中。

　　3．3 计算可运行的最低电压和频率

　　计算可运行的最低电压和频率的算法是DVS功能的核心部分。算法的基本思想是，将所有任务产生的松弛时间给当前任务使用，使当前就绪的任务集以尽量低的电压和频率运行。系统最开始运行在最高频率和电压下。该算法的伪代码如下：

　　//变量leastNxtSusTime表示距离最近一个任务就绪的时间

　　//变量readyTaskRequireTime表示就绪任务共需要的执行时间获取任务TCB；

　　根据FlexibleRatio设置处理器的频率

　　由于系统并不是时刻都需要动态地去改变处理器的频率和电压，当且仅当系统中任务的就绪队列发生变化的时候才需要重新计算处理器的频率和电压。因此，这部分代码需要在任务的切换过程中和中断返回时执行。在本实验中，这部分代码写在μC／OS—II扩展文件os_cpu_c．c中的OSTaskSwHook()函数中，同时在OSIntCtxSw()中也用了这个函数。

　　3．4 设置处理器的频率和电压

　　由于设置处理器的频率和电压是与操作系统所运行的硬件平台相关的，不同的处理器设置处理器频率和电压的方法不尽相同，所以本实验在改进μC／OS—II的时候并没有将这部分代码写入内核，而是提供了扩展接口setCPUAtSpecifledVolAndFreq(voltage，frequency)供移植时使用。该函数用于设置处理器的电压和频率为指定的电压和频率。其中，参数voltage和frequency分别表示电压和频率。

　　3．5 快速查询频率和电压

　　因为目前大多数的处理器并不支持连续地设置处理器的频率，它们仅支持离散地设置处理器的频率，所以按照公式(8)计算出来的频率处理器可能并不支持。本实验在实现过程引入了频率查询表快速查询高于计算结果的，且处理器支持的最低频率。它的结构如下：

　　根据计算出的FlexibleRatio，即可直接在查询表中查询到相应的频率值；但是计算出的FlexibleRatio多为小数，故在实际应用时常将该表设计得比实际大10倍。查询的时候先将FlexibleRatio乘以10后取整，然后再查表。

　　3．6 可裁减设计

　　为保持与μC／0S—II本身可裁减特性的一致，新加入的DVS功能可以在os_cfg．h中通过宏定义变量0S_PM_DVS_EN来启用和关闭。OS_PM_DVS_EN为1表示开启DVS功能，为O表示关闭。

　　4 测试实验

　　改进后的μC／0S—II使用ARM Develop Suit V1．2编译后，在华邦的W90P710开发板上测试运行。W90P710开发板支持4个等级的频率调整。有关μC／OS-II在这块板子上的移植请查阅参考文献。

采用功率计HIOK13332测量改进前后μC／OS—II在板子上运行时的功耗。本测试案例创建了两个任务。这两