接口省電；詳細分析如何選擇一種合適的單片機低功耗模式，說明利用μC/OSII內核擴展接口實現一個低功耗係統的可行性。
關鍵詞：μC/OS-II 內核擴展接口 HCS08GT60 低功耗模式
引 言
隨著消費類電子產品的功能日益複雜，在其中移植或固化實時操作係統已不是新鮮事了，如手機、PDA等等。對於該類產品，低功耗特性往往占有舉足輕重的地位。如何在操作係統層麵上，盡量降低係統功耗，是一個值得探討的問題。一般來說，嵌入式CPU都具有低功耗的工作模式，如果在任務調度的空閑時間，使CPU進入這種模式，就能大幅度降低係統功耗。
本文以嵌入式實時操作係統μC/OS-II在飛思卡爾8位單片機HCS08GT60上的移植為例，詳細討論如何利用μC/OS-II給出的內核擴展接口，實現一個低功耗的嵌入式實時係統；進一步分析如何選擇一種合適的低功耗模式。μC/OS-II是一種可移植、可固化、可裁剪的可剝奪型多任務內核。由於其源碼公開、注釋詳盡、內核設計概念清晰，已成為世界上學習和使用頻率較高的實時操作係統。2000年7月，μC/OS-II V2.52通過了美國航空航天管理局的安全認證，其可靠性得到了進一步的驗證。利用任務調度的空閑時間使CPU進入低功耗模式，以降低係統功耗這一思想在μC/OS-II內核設計之初就被注意到了。為此設計者特意留出了相應的內核擴展接口。用戶可以利用此接口，實現一個實時的低功耗係統。
1 利用空閑任務擴展接口使CPU進入低功耗模式
實現μC/OS-II低功耗特性的方法很簡單：用戶可以利用μC/OS-II中空閑任務的擴展接口，使係統在空閑狀態下進入某種低功耗模式，降低係統功耗；同時利用RTI信號作為時鍾節拍，周期性地喚醒CPU。CPU被喚醒之後，將執行節拍中斷服務程序，重新判斷是否有任務處於就緒態。如果有，就執行該任務；如果沒有，則重複上麵的過程。
μC/OS-II最多可以管理64個任務，並為每一個任務分配一個不同的優先級。每一個任務有五種可能的狀態——睡眠態、就緒態、運行態、等待態和中斷服務態。μC/OS-II屬於可剝奪型內核，也就是說，μC/OS-II總是運行進入就緒狀態的優先級最高的任務。一旦優先級高的任務進入就緒態，就可以將CPU從低優先級任務中搶過來。
在μC/OS-II初始化時，會建立一個優先級最低的任務——空閑任務，在沒有任務進入就緒態的時候，空閑任務就會開始運行。空閑任務會調用一個函數——OSTaskIdleHook()。這是留給用戶使用的內核擴展接口。空閑任務實際上並沒有什麼事情可做①，隻是一個等待中斷的無限循環。因此用戶可以利用OSTaskIdleHook()，使CPU進入低功耗模式。
① 事實上，空閑任務可以為統計任務提供一個計數，用以統計CPU的利用率，但該工作完全可以在改動OSTaskIdleHook()之前運行。
用戶不必擔心整個內核因為係統進入低功耗模式而停止運行。因為HCS08GT60允許RTI時鍾周期性地將CPU喚醒。喚醒之後的係統會和遇到節拍中斷一樣，進入OSTickISR()中斷服務程序，查看是否有任務進入了就緒態。如果還沒有，就再次進入低功耗模式。對於HCS08GT60，允許RTI時鍾的低功耗模式有WAIT模式、STOP2模式和STOP3模式三種，其功耗、係統恢複時間、喚醒中斷源等各不相同。下麵介紹如何選擇一種合適的低功耗模式。
2 選擇合適的低功耗模式
2.1 HCS08GT60的低功耗模式
考慮到後麵的討論要涉及到具體的低功耗模式，所以首先介紹一下單片機HCS08GT60的低功耗特性。HCS08GT60屬於飛思卡爾（原Motorola）HCS08係列單片機。該係列單片機的低功耗特性很突出；工作電壓可以在1.8~3.6 V之間選擇，有WAIT和STOP兩種低功耗模式。STOP模式可細分為STOP3、STOP2和STOP1三種，功耗依次降低。WAIT模式下， CPU停止運行，但其他外圍模塊並不斷電，因此，係統隨時可以響應各種中斷。
在STOP1模式中，喚醒CPU隻能通過IRQ中斷或複位信號，由於無法提供時鍾節拍，內核的任務調度無法實現；而在STOP2和STOP3中，RTI都可以作為係統的喚醒中斷源，內核可以使用RTI作為時鍾節拍。
STOP2模式與STOP3模式相比功耗更低；但是，STOP2模式下I/O寄存器是關閉的，必須在進入模式之前將I/O寄存器的值保存在RAM中，而在喚醒之後再從RAM拷貝到I/O寄存器。喚醒STOP2可以使用IRQ、複位信號和RTI。STOP3模式下，RAM和I/O寄存器內容將保持。另外，除STOP2模式允許的喚醒中斷源外，還允許鍵盤中斷喚醒CPU。
2.2 實時性、中斷源和功耗影響低功耗模式的選擇有三個主要因素：功耗、中斷源和實時性。
(1) 功耗
前文中已經提到，適用於μC/OS-II的低功耗模式（即允許RTI喚醒）有三種：WAIT模式、STOP3模式和STOP2模式。係統在這三種模式下的功耗逐漸降低。
μC/OS-II為用戶提供了一個統計任務，用以計算CPU的利用率，並保存在變量OSCPUUsage（%）中。用戶可以在加入低功耗處理前②，使用統計任務計算出CPU利用率，從而粗略地估算出係統的功耗。
② 計算必須在改動OSTaskIdleHook()之前進行，因為一旦係統進入任何一種低功耗模式，空閑任務將不能給變量OSIdleCtr繼續加1。
假設係統正常運行時，消耗電流為1 mA，CPU利用率是1%，則以下是選擇三種不同低功耗模式後的消耗電流。
STOP2: 1 mA×1%+890 nA×99％=10.881 μA,系统功耗降低98.9%。
STOP3③: 1 mA×1％+14.5 μA×99％=24.355 μA，係統功耗降低97.6%。
③ 使用以32 kHz晶振為時鍾源的RTI。
WAIT: 1 mA×1％+560 μA×99％=564.4 μA，係統功耗降低43.6%。
係統功耗當然越小越好，但當考慮到其他因素時，係統功耗就未必能夠達到最低了。
(2) 中斷源
係統用到的中斷源限製了低功耗模式的使用。為了保證μC/OS-II正常運行，係統所用到的中斷必須能夠喚醒處於低功耗模式下的CPU。
WAIT模式雖然功耗較大，但能夠響應任何中斷源；STOP3模式下，係統保留了RTI、IRQ、KBI和複位作為喚醒中斷；而在STOP2模式下，隻有IRQ、複位和RTI可以喚醒係統。
(3) 實時性
毫無疑問，使CPU進入低功耗模式會減弱係統的實時性。這種減弱來自於兩個方麵，一是使中斷響應時間變長；二是使響應的時間變得不易預測。
係統從低功耗模式中被喚醒後，時鍾往往需要一段時間穩定，有時候還需要軟件做內核運行環境的恢複工作（如STOP2下的寄存器恢複），中斷的響應時間就被拉長了。同時，由於時鍾恢複的時間和供電電壓、時鍾源、環境溫度都有密切的關係，實際上不可能給出一個準確的恢複時間，中斷響應的時間也就變得不易預測了。在實時係統中，響應時間的不可預測往往比響應得慢更為致命，一個響應速率時快時慢的係統隻能以最壞的情況作估計。所幸的是，大多數低功耗應用（如手機、PDA等）都不是硬實時係統，換句話說，並沒有一個絕對的響應時間限製。大多數情況下，采用低功耗處理所帶來的實時性減弱可以被忍受。
WAIT模式對響應時間影響最小。由於沒有停止係統時鍾，WAIT模式對中斷的響應基本都是同步的。
STOP3模式恢複的時間和時鍾設置關係很大。除了FBE時鍾方案外(使用外時鍾、不使用鎖相環)，恢複時間都在100 μs左右。如果采用FBE，恢複時間就和晶振頻率密切相關了。一般32 kHz晶振需要180～300 ms恢複穩定，假如在STOP3模式下將晶振保持打開，則隻需要2.42 ms。
STOP2模式的恢複時間在50 μs④左右。但是，因為需要將在RAM中保存的I/O寄存器恢複，可能另外還需要幾十個指令周期。
④以上恢複時間均為實測值。
表麵上STOP2的恢複時間比STOP3的恢複時間短，但是考慮到進入STOP2之後RTI時鍾源會從外部晶振調整為內部晶振，最多可能與實際係統相差1個時鍾節拍。
3 μC/OS-II在HCS08GT60上的移植
μC/OS-II的95％代碼是由ANSI C寫成的，具有很好的移植性。如何移植μC/OS-II可以參閱文獻[1]。這裏隻強調一下時鍾節拍的選擇。為了實現時間延時和確認超時，μC/OS-II需要係統提供一個10～100 Hz的周期性信號。我們選擇實時時鍾中斷（RTI）作為μC/OS-II的時鍾。這主要是考慮在HCS08GT60處於WAIT或者STOP2/3模式下，RTI仍然可以作為喚醒係統的中斷源。需要注意，在運行和等待模式下，RTI的時鍾隻能由外部晶振提供；在STOP3模式下，RTI時鍾可以由外部晶振或是內部晶振提供；在STOP2模式下，RTI隻能由內部時鍾提供。為了盡量不改動時鍾源，建議使用1個32.768 kHz的外部晶振提供係統時鍾和RTI時鍾，在運行、WAIT和STOP3模式下，RTI的時鍾源始終不變;而在STOP2模式下，用戶隻能使用內部時鍾發生器提供的RTI時鍾源。
4 結論
仔細分析1個低功耗實時係統會發現,有很多因素左右著係統功耗，各因素之間往往會相互影響，相互製約。例如，為了保證實時性，盡量不改動時鍾設置，使用了32.768 kHz的外部晶振作為RTI時鍾源，並利用鎖相環將該頻率升高，作為係統總線時鍾。從操作係統角度分析，CPU可以進入低功耗模式，係統功耗降低了。但是，因為使用了鎖相環，也會給係統帶來額外的功耗。對於一個實際係統，這種做法到底是提高還是降低了係統功耗，隻能通過CPU占用率、節拍頻率等條件具體分析了。
因此，要選擇一套合理的軟硬件設置來降低功耗，就必須全盤考慮，不能僅僅局限於操作係統的角度。
