探究STM32、FreeRTOS低功耗設(shè)計思路和原理

如今電池供電的產(chǎn)品很多，電池供電通常設(shè)計到一個問題，那就是低功耗。 本文為大家講講基于STM32、FreeRTOS實現(xiàn)低功耗思想和原理。

一

低功耗設(shè)計常規(guī)思路應(yīng)用中使用的 RTOS 一般采用基于時間片輪轉(zhuǎn)的搶占式任務(wù)調(diào)度機制，一般的低功耗設(shè)計思路如下：1. 當 Idle 任務(wù)運行時，進入低功耗模式；2. 在適當?shù)臈l件下，通過中斷或者外部事件喚醒 MCU。

但是， 從第二點可以看出，每次當 OS 系統(tǒng)定時器產(chǎn)生中斷時，也會將 MCU 從低功耗模式中喚醒，而頻繁的進入低功耗模式/從低功耗模式中喚醒會使得 MCU 無法進入深度睡眠，對低功耗設(shè)計而言也是不合理的。 在 FreeRTOS 中給出了一種低功耗設(shè)計模式 ——Tickless Idle Mode， 這個方法可以讓 MCU 更長時間的處于低功耗模式。

二Tickless Idle Mode原理及實現(xiàn)

1. 情景分析

FreeRTOS各任務(wù)情況：

上圖是任務(wù)調(diào)度示意圖，橫軸是時間軸， T1， T2， T3， T4 是 RTOS 的時間片基準，有四個任務(wù)分別是 TaskA，B，C，D。

Task A：周期性任務(wù)

Task B：周期性任務(wù)

Task C：突發(fā)性任務(wù)

Task D：周期性任務(wù)

從圖中可以看出在四個任務(wù)進行調(diào)度之間，會有四次空閑期間（此時 RTOS 會調(diào)度 Idle 任務(wù)運行， 軟件設(shè)計的目標應(yīng)該是盡可能使 MCU 在 Idle 任務(wù)運行時處于低功耗模式） 。

Idle1： Idle 任務(wù)運行期間，會產(chǎn)生一次系統(tǒng)時鐘滴答，此時會喚醒 MCU，喚醒后 MCU 又會進入低功耗模式， 這次喚醒是無意義的。期望使 MCU 在 Idle1 期間一直處于低功耗模式， 因此適當調(diào)整系統(tǒng)定時器中斷使得 T1 時不觸發(fā)系統(tǒng)時鐘中斷， 中斷觸發(fā)點設(shè)置為 Task B 到來時；

Idle2：Task C 在系統(tǒng)滴答到達前喚醒 MCU（外部事件） ， MCU 可以在 Idle2 中可以一直處于低功耗模式；

Idle3： 與 Idle2 情況相同，但 Idle3 時間很短，如果這個時間很短，那么進入低功耗模式的意義并不大，因此在進入低功耗模式時軟件應(yīng)該添加策略；

Idle4： 與 Idle1 情況相同。

2. Tickless Idle Mode 的軟件設(shè)計原理

Tickless Idle Mode 的設(shè)計思想在于盡可能得在 MCU 空閑時使其進入低功耗模式。從上述情景中可以看出軟件設(shè)計需要解決的問題有：

a. 合理的進入低功耗模式（避免頻繁使 MCU 在低功耗模式和運行模式下進行不必要的切換） ;

RTOS 的系統(tǒng)時鐘源于硬件的某個周期性定時器（Cortex-M 系列內(nèi)核多數(shù)采用 SysTick） ，RTOS 的任務(wù)調(diào)度器可以預(yù)期到下一個周期性任務(wù)（或者定時器任務(wù)） 的觸發(fā)時間，如上文所述，調(diào)整系統(tǒng)時鐘定時器中斷觸發(fā)時間，可以避免 RTOS 進入不必要的時間中斷，從而更長的時間停留在低功耗模式中，此時 RTOS 的時鐘不再是周期的而是動態(tài)的（在原有的時鐘基準時將不再產(chǎn)生中斷，即 Tickless） ；

b. 當 MCU 被喚醒時，通過某種方式提供為系統(tǒng)時鐘提供補償。

MCU 可能被兩種情況所喚醒， 動態(tài)調(diào)整過的系統(tǒng)時鐘中斷或者突發(fā)性的外部事件，無論是哪一種情況，都可以通過運行在低功耗模式下的某種定時器來計算出 MCU 處于低功耗模式下的時間，在 MCU 喚醒后對系統(tǒng)時間進行軟件補償；

c. 軟件實現(xiàn)時，要根據(jù)具體的應(yīng)用情景和 MCU 低功耗特性來處理問題。

尤其是 MCU 的低功耗特性， 不同 MCU 處于不同的低功耗模式下所能使用的外設(shè)（主要是定時器） 是不同的， RTOS 的系統(tǒng)時鐘可以進行適當?shù)恼{(diào)整。

3. Tickless Idle Mode 的實現(xiàn)

這里以 STM32F407 系列的 MCU 為例， 首先需要明確的是 MCU 的低功耗模式， F407 有 3 種低功耗模式：Sleep、Stop、 Standby。

在 RTOS 平臺時， SRAM 和寄存器的數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失， 此外需要一個定時器為 RTOS 提供系統(tǒng)時鐘， 這里選擇 Sleep 模式下進行實現(xiàn)。 使能Tickless Idle：

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

RTOS空閑任務(wù)（空閑時自動調(diào)用）實現(xiàn)：

/* Idle 任務(wù) */void prvIdleTask（ void *pvParameters ）{ for（ ; ; ） { //。。.#if（configUSE_TICKLESS_IDLE ！= 0） { TickType_t xExpectedIdleTime; /* 用戶策略以決定是否需要進入 Tickless Mode */ xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime（）; if（ xExpectedIdleTime 》= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ） { vTaskSuspendAll（）;

// 掛起調(diào)度器 { configASSERT（ xNextTaskUnblockTime 》= xTickCount ）; xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime（）; if（ xExpectedIdleTime 》= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ） { /* 用戶函數(shù)接口 */ /* 1. 進入低功耗模式和如何退出低功耗模式 */ /* 2. 系統(tǒng)時間補償 */ portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP（ xExpectedIdleTime ）; } } （void） xTaskResumeAll（）; // 恢復(fù)調(diào)度器 } }#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */ //。。。 }}

然后，低功耗模式處理（根據(jù) MCU 的低功耗模式編寫代碼， 代碼有點長……）

void vPortSuppressTicksAndSleep（ portTickType xExpectedIdleTime ）{ unsigned long ulReloadValue， ulCompleteTickPeriods， ulCompletedSysTickDecrements; portTickType xModifiableIdleTime; /*

最長睡眠時間不可以超過定時器的最大定時值 */ /* 通過調(diào)整定時器的時間基準可以獲得更理想的最大定時值 */ if（ xExpectedIdleTime 》 xMaximumPossibleSuppressedTicks ） { xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks; } /* 停止 SysTick */ portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT; /*

計算喚醒時的系統(tǒng)時間，用于喚醒后的系統(tǒng)時間補償 */ ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG + （ ulTimerCountsForOneTick * （ xExpectedIdleTime - 1UL ） ）; if（ ulReloadValue 》 ulStoppedTimerCompensation ） { ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation; } __disable_interrupt（）; /*

確認下是否可以進入低功耗模式 */ if（ eTaskConfirmSleepModeStatus（） == eAbortSleep ） { /* 不可以，重新啟動系統(tǒng)定時器 */ 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 { /

* 可以進入低功耗模式 */ /* 保存時間補償，重啟系統(tǒng)定時器 */ 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; /* 進入低功耗模式，可以通過 configPRE_SLEEP_PROCESSING 函數(shù)進行低功耗模式下 時鐘及外設(shè)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（）; /

*喚醒有兩種情況：系統(tǒng)定時器或者外部事件（中斷） */ if（（portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT） ！= 0） { /* 系統(tǒng)定時器喚醒，時間補償 */ 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（中斷）喚醒 */ ulCompletedSysTickDecrements = （ xExpectedIdleTime * ulTimerCountsForOneTick ） - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG; ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements / ulTimerCountsForOneTick;portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = （ （ ulCompleteTickPeriods + 1 ） * ulTimerCountsForOneTick ） - ulCompletedSysTickDecrements; }

/* 重啟 Systick，調(diào)整系統(tǒng)定時器中斷為正常值 */ 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（）; }}

三、最后

低功耗的設(shè)計存在很多影響功耗的因素，比如電路設(shè)計、IO引腳配置等。

MCU實現(xiàn)低功耗的方法和種類有很多，設(shè)計時需要注意一些低功耗細節(jié)問題。

最后，以上方法僅供學(xué)習(xí)參考，具體請按照實際項目選擇合理的低功耗設(shè)計方案。

編輯：jq