基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理

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@小白创作中心

基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/wangchen900705/article/details/137594806

在当今电池供电产品日益普及的背景下，低功耗设计成为嵌入式系统开发中的重要课题。本文将详细介绍基于STM32和FreeRTOS的低功耗设计思路，重点讲解Tickless Idle Mode的工作原理及其在实际项目中的应用。

低功耗设计常规思路

应用中使用的RTOS一般采用基于时间片轮转的抢占式任务调度机制，一般的低功耗设计思路如下：

当Idle任务运行时，进入低功耗模式；
在适当的条件下，通过中断或者外部事件唤醒MCU。

但是，从第二点可以看出，每次当OS系统定时器产生中断时，也会将MCU从低功耗模式中唤醒，而频繁的进入低功耗模式/从低功耗模式中唤醒会使得MCU无法进入深度睡眠，对低功耗设计而言也是不合理的。

在FreeRTOS中给出了一种低功耗设计模式——Tickless Idle Mode，这个方法可以让MCU更长时间的处于低功耗模式。

Tickless Idle Mode原理及实现

情景分析

FreeRTOS各任务情况：

上图是任务调度示意图，横轴是时间轴，T1，T2，T3，T4是RTOS的时间片基准，有四个任务分别是TaskA,B,C,D。

Task A：周期性任务
Task B：周期性任务
Task C：突发性任务
Task D：周期性任务

从图中可以看出在四个任务进行调度之间，会有四次空闲期间（此时RTOS会调度Idle任务运行，软件设计的目标应该是尽可能使MCU在Idle任务运行时处于低功耗模式）。

Idle1: Idle任务运行期间，会产生一次系统时钟滴答，此时会唤醒MCU，唤醒后MCU又会进入低功耗模式，这次唤醒是无意义的。期望使MCU在Idle1期间一直处于低功耗模式，因此适当调整系统定时器中断使得T1时不触发系统时钟中断，中断触发点设置为Task B到来时；
Idle2：Task C在系统滴答到达前唤醒MCU（外部事件），MCU可以在Idle2中可以一直处于低功耗模式；
Idle3: 与Idle2情况相同，但Idle3时间很短，如果这个时间很短，那么进入低功耗模式的意义并不大，因此在进入低功耗模式时软件应该添加策略；
Idle4: 与Idle1情况相同。

Tickless Idle Mode的软件设计原理

Tickless Idle Mode的设计思想在于尽可能得在MCU空闲时使其进入低功耗模式。从上述情景中可以看出软件设计需要解决的问题有：

a. 合理的进入低功耗模式（避免频繁使MCU在低功耗模式和运行模式下进行不必要的切换）；
RTOS的系统时钟源于硬件的某个周期性定时器（Cortex-M系列内核多数采用SysTick），RTOS的任务调度器可以预期到下一个周期性任务（或者定时器任务）的触发时间，如上文所述，调整系统时钟定时器中断触发时间，可以避免RTOS进入不必要的时间中断，从而更长的时间停留在低功耗模式中，此时RTOS的时钟不再是周期的而是动态的（在原有的时钟基准时将不再产生中断，即Tickless）；

b. 当MCU被唤醒时，通过某种方式提供为系统时钟提供补偿。
MCU可能被两种情况所唤醒，动态调整过的系统时钟中断或者突发性的外部事件，无论是哪一种情况，都可以通过运行在低功耗模式下的某种定时器来计算出MCU处于低功耗模式下的时间，在MCU唤醒后对系统时间进行软件补偿；

c. 软件实现时，要根据具体的应用情景和MCU低功耗特性来处理问题。
尤其是MCU的低功耗特性，不同MCU处于不同的低功耗模式下所能使用的外设（主要是定时器）是不同的，RTOS的系统时钟可以进行适当的调整。

Tickless Idle Mode的实现

这里以STM32F407系列的MCU为例，首先需要明确的是MCU的低功耗模式，F407有3种低功耗模式：Sleep、Stop、Standby。

在RTOS平台时，SRAM和寄存器的数据不应丢失，此外需要一个定时器为RTOS提供系统时钟，这里选择Sleep模式下进行实现。

使能Tickless Idle：

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

RTOS空闲任务（空闲时自动调用）实现：

/* Idle 任务 */
void prvIdleTask( void *pvParameters )
{
  for( ; ; )
  {
    //...
#if(configUSE_TICKLESS_IDLE != 0)
    {
      TickType_t xExpectedIdleTime;
      /* 用户策略以决定是否需要进入 Tickless Mode */
      xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
      if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
      {
        vTaskSuspendAll(); // 挂起调度器
        {
          configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
          xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
          if( xExpectedIdleTime >=
          configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
          {
            /* 用户函数接口 */
            /* 1. 进入低功耗模式和如何退出低功耗模式 */
            /* 2. 系统时间补偿 */
            portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
          }
        }
        (void) xTaskResumeAll(); // 恢复调度器
      }
    }
#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    //...
  }
}

然后，低功耗模式处理（根据MCU的低功耗模式编写代码，代码有点长……）

void vPortSuppressTicksAndSleep( portTickType xExpectedIdleTime )
{
  unsigned long ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,
  ulCompletedSysTickDecrements;
  portTickType xModifiableIdleTime;
  /* 最长睡眠时间不可以超过定时器的最大定时值 */
  /* 通过调整定时器的时间基准可以获得更理想的最大定时值 */
  if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
  {
    xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
  }
  /* 停止 SysTick */
  portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
  /* 计算唤醒时的系统时间，用于唤醒后的系统时间补偿 */
  ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG + ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) );
  if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
  {
    ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
  }
  __disable_interrupt();
  /* 确认下是否可以进入低功耗模式 */
  if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
  {
    /* 不可以，重新启动系统定时器 */
    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    __enable_interrupt();
  }
  else
  {
    /* 可以进入低功耗模式 */
    /* 保存时间补偿，重启系统定时器 */
    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulReloadValue;
    portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    /* 进入低功耗模式，可以通过 configPRE_SLEEP_PROCESSING 函数进行低功耗模式下
    时钟及外设的配置*/
    xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
    configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );
    if( xModifiableIdleTime > 0 )
    {
      __DSB();
      __WFI();
      __ISB();
    }
    /* 退出低功耗模式 */
    configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
    __disable_interrupt()
    __enable_interrupt();
    /*唤醒有两种情况：系统定时器或者外部事件（中断） */
    if((portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT) != 0)
    {
      /* 系统定时器唤醒，时间补偿 */
      unsigned long ulCalculatedLoadValue;
      ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) –
      ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );
      if( ( ulCalculatedLoadValue < ulStoppedTimerCompensation ) ||
      ( ulCalculatedLoadValue > ulTimerCountsForOneTick ) )
      {
      ulCalculatedLoadValue = (ulTimerCountsForOneTick - 1UL);
      }
      portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue;
      ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    }
    else
    {
      /* 外部事件（中断）唤醒 */
      ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime *
      ulTimerCountsForOneTick ) - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
      ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements /
      ulTimerCountsForOneTick;portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1 ) *
      ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements;
    }
    /* 重启 Systick，调整系统定时器中断为正常值 */
    portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    portENTER_CRITICAL();
    {
      portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
                                  portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
                                  portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
      vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
      portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    }
    portEXIT_CRITICAL();
  }
}