基于嵌入式平台的数据采集系统动态电源管理研究

发布时间：2020-07-24 08:30

【摘要】：在当今嵌入式系统集成工艺日益发达的时代,加大系统集成密度的同时,也带来了系统功耗以及温度的增加。这一问题直接导致了集成系统工作可靠性与使用寿命的下降,因而限制了集成工艺的发展。因此,对于嵌入式集成系统而言如何对于功耗与温度进行优化,使系统在不影响性能的情况下达到最低功耗,是当今嵌入式集成系统的重点难题。本文的研究针对长期加电的集成嵌入式系统通过实时操作系统进行动态功耗管理,系统硬件平台基于ZYNQ 7000进行搭建,建立了对于ZYNQ So C芯片电压与温度实时采集的数据采集系统,通过分析ZYNQ的工作过程,对于其工作模式进行了设计。在低功耗策略技术的设计中通过电压调节和频率调节的比较,选择了动态频率调节技术来进行功耗优化,并建立了频率调节模型进行分析。又根据Timeout超时算法、指数平均预测算法以及基于马尔科夫链的随机算法的比较分析,选择Timeout超时算法作为低功耗策略的基础。本文在ZYNQ平台中移植了Free RTOS实时操作系统,来实现对于系统任务进行调度,通过Free RTOS、μC/OS-II以及RT-Thread操作系统任务调度算法的分析与比较,找出算法中各自的优缺点。并发现了Free RTOS在就绪态任务优先级差值较大的情况下,查询任务顺序所用时间较长的问题。之后根据就绪表查找算法,对于Free RTOS系统查询即将执行的就绪态任务顺序的遍历查找算法进行改进,有效地减少了当就绪状态任务的优先级差值较大的情况下,Free RTOS任务调度所用的时间。进而优化了嵌入式集成系统,在长时间加电的情况下所消耗的功耗,经过在硬件平台上的测试,对于低功耗策略及算法改进结果进行了验证,同时表明系统整体可以降低约28%的功耗。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM73
【图文】：

内部结构,处理单元

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文能具有比单独的双核 ARM+FPGA 处理器架构更低的功耗。ZYNQ-7000 统（System-on-a-Chip，简称 SoC）的内部结构如图 2-3 所示，整个系统分成处理单元 PS（Processing System）以及逻辑单元 PL（Programmable Log中处理单元主要负责ARM控制部分，其内含有诸如SRAM、DDR（Double te）SDRAM 等存储器以及 UART、GPIO、SPI（Serial Peripheral Interfa丰富的外设功能。PL 部分负责逻辑编程除了有存储器、外设外，还包含了信号处理资源、时钟管理单元以及用于模拟-数字转换的 XADC 模块。

响应比,算法,马尔科夫链,平均延迟时间

u ( a|i)——在状态为的情况下，系统选用 a 操作进行状态转换的概率。采用马尔科夫链的随机算法与指数分布预测算法相比，能更好的对于响应延迟进行控制，但其建模理论较为复杂，实施能度较大且应用中有一定程度的局限性。3.3.4 算法对比选择上述三种算法中指数分布预测算法与马尔科夫链随机算法均对于系统空闲状态的分布模型有一定的限制要求，在一定的局限范围内比较适用。而当系统发生不稳定的突发事件的时候，无论是预测算法还是随机概率算法都会差生较大的误差，如果不加以修正则低功耗设计效果会不理想。文献[38]中对于上述的超时算法、预测算法以及随机算法在 Linux 操作系统下进行了仿真，并对于其系统响应时间进行了统计测量与对比，对比的结论如图 3-6 所示，指数预测算法平均延迟时间约为 8.2ms，马尔科夫链随机算法平均延迟时间约为 7.1ms，Timeout 超时算法平均延迟时间约为 6ms。

任务调度,时间比较,操作系统,任务优先级

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文问，直到找到最高优先级任务为止。这种做法在任务优先级数的差值较小的情况下比较适用，能够较快的找到最高优先级就绪任务。但由于 FreeRTOS 对于任务数量没有限制，当处于就绪状态中的任务优先级数相差较大的时候，这种遍历查找的方法就会加大查找时间的消耗，一方面增大了系统的能耗，另一方面又影响了系统的响应性能，并且每次遍历时就绪态的优先级差值均不相同会使响应时间在较短的时间范围内具有不确定性。而 μC/OS-II 和 RT-Thread 操作系统在对于就绪状态的最低优先级查找过程中，采用的是就绪表查找算法。这种算法在查找的过程之中，无论就绪状态的任务优先级差值是多少，其所要执行的查找操作指令数目都是一定的，即查找过程所用到的时间是基本相同的，不会由于任务优先级数目的改变而造成较大的波动，并且可以稳定在极小的时间范围之内。

【参考文献】