【摘要】：在當今嵌入式系統(tǒng)集成工藝日益發(fā)達的時代,加大系統(tǒng)集成密度的同時,也帶來了系統(tǒng)功耗以及溫度的增加。這一問題直接導(dǎo)致了集成系統(tǒng)工作可靠性與使用壽命的下降,因而限制了集成工藝的發(fā)展。因此,對于嵌入式集成系統(tǒng)而言如何對于功耗與溫度進行優(yōu)化,使系統(tǒng)在不影響性能的情況下達到最低功耗,是當今嵌入式集成系統(tǒng)的重點難題。本文的研究針對長期加電的集成嵌入式系統(tǒng)通過實時操作系統(tǒng)進行動態(tài)功耗管理,系統(tǒng)硬件平臺基于ZYNQ 7000進行搭建,建立了對于ZYNQ So C芯片電壓與溫度實時采集的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過分析ZYNQ的工作過程,對于其工作模式進行了設(shè)計。在低功耗策略技術(shù)的設(shè)計中通過電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)的比較,選擇了動態(tài)頻率調(diào)節(jié)技術(shù)來進行功耗優(yōu)化,并建立了頻率調(diào)節(jié)模型進行分析。又根據(jù)Timeout超時算法、指數(shù)平均預(yù)測算法以及基于馬爾科夫鏈的隨機算法的比較分析,選擇Timeout超時算法作為低功耗策略的基礎(chǔ)。本文在ZYNQ平臺中移植了Free RTOS實時操作系統(tǒng),來實現(xiàn)對于系統(tǒng)任務(wù)進行調(diào)度,通過Free RTOS、μC/OS-II以及RT-Thread操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的分析與比較,找出算法中各自的優(yōu)缺點。并發(fā)現(xiàn)了Free RTOS在就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先級差值較大的情況下,查詢?nèi)蝿?wù)順序所用時間較長的問題。之后根據(jù)就緒表查找算法,對于Free RTOS系統(tǒng)查詢即將執(zhí)行的就緒態(tài)任務(wù)順序的遍歷查找算法進行改進,有效地減少了當就緒狀態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級差值較大的情況下,Free RTOS任務(wù)調(diào)度所用的時間。進而優(yōu)化了嵌入式集成系統(tǒng),在長時間加電的情況下所消耗的功耗,經(jīng)過在硬件平臺上的測試,對于低功耗策略及算法改進結(jié)果進行了驗證,同時表明系統(tǒng)整體可以降低約28%的功耗。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM73
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文能具有比單獨的雙核 ARM+FPGA 處理器架構(gòu)更低的功耗。ZYNQ-7000 統(tǒng)（System-on-a-Chip，簡稱 SoC）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示，整個系統(tǒng)分成處理單元 PS（Processing System）以及邏輯單元 PL（Programmable Log中處理單元主要負責(zé)ARM控制部分，其內(nèi)含有諸如SRAM、DDR（Double te）SDRAM 等存儲器以及 UART、GPIO、SPI（Serial Peripheral Interfa豐富的外設(shè)功能。PL 部分負責(zé)邏輯編程除了有存儲器、外設(shè)外，還包含了信號處理資源、時鐘管理單元以及用于模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的 XADC 模塊。

u ( a|i)——在狀態(tài)為 的情況下，系統(tǒng)選用 a 操作進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的概率。采用馬爾科夫鏈的隨機算法與指數(shù)分布預(yù)測算法相比，能更好的對于響應(yīng)延遲進行控制，但其建模理論較為復(fù)雜，實施能度較大且應(yīng)用中有一定程度的局限性。3.3.4 算法對比選擇上述三種算法中指數(shù)分布預(yù)測算法與馬爾科夫鏈隨機算法均對于系統(tǒng)空閑狀態(tài)的分布模型有一定的限制要求，在一定的局限范圍內(nèi)比較適用。而當系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定的突發(fā)事件的時候，無論是預(yù)測算法還是隨機概率算法都會差生較大的誤差，如果不加以修正則低功耗設(shè)計效果會不理想。文獻[38]中對于上述的超時算法、預(yù)測算法以及隨機算法在 Linux 操作系統(tǒng)下進行了仿真，并對于其系統(tǒng)響應(yīng)時間進行了統(tǒng)計測量與對比，對比的結(jié)論如圖 3-6 所示，指數(shù)預(yù)測算法平均延遲時間約為 8.2ms，馬爾科夫鏈隨機算法平均延遲時間約為 7.1ms，Timeout 超時算法平均延遲時間約為 6ms。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文問，直到找到最高優(yōu)先級任務(wù)為止。這種做法在任務(wù)優(yōu)先級數(shù)的差值較小的情況下比較適用，能夠較快的找到最高優(yōu)先級就緒任務(wù)。但由于 FreeRTOS 對于任務(wù)數(shù)量沒有限制，當處于就緒狀態(tài)中的任務(wù)優(yōu)先級數(shù)相差較大的時候，這種遍歷查找的方法就會加大查找時間的消耗，一方面增大了系統(tǒng)的能耗，另一方面又影響了系統(tǒng)的響應(yīng)性能，并且每次遍歷時就緒態(tài)的優(yōu)先級差值均不相同會使響應(yīng)時間在較短的時間范圍內(nèi)具有不確定性。而 μC/OS-II 和 RT-Thread 操作系統(tǒng)在對于就緒狀態(tài)的最低優(yōu)先級查找過程中，采用的是就緒表查找算法。這種算法在查找的過程之中，無論就緒狀態(tài)的任務(wù)優(yōu)先級差值是多少，其所要執(zhí)行的查找操作指令數(shù)目都是一定的，即查找過程所用到的時間是基本相同的，不會由于任務(wù)優(yōu)先級數(shù)目的改變而造成較大的波動，并且可以穩(wěn)定在極小的時間范圍之內(nèi)。

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本文編號：2768584