如何在RTOS中處理微控制器的低功耗特性

前言

目前， 越來越多的嵌入式產(chǎn)品在開發(fā)中使用RTOS作為軟件平臺(tái)， 同時(shí)，開發(fā)中對(duì)低功耗的要求也越來越高， 本文會(huì)討論一下如何在 RTOS 中處理微控制器的低功耗特性。

應(yīng)用中使用的RTOS一般采用基于時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的搶占式任務(wù)調(diào)度機(jī)制，一般的低功耗設(shè)計(jì)思路如下：

• 當(dāng)Idle任務(wù)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入低功耗模式；

• 在適當(dāng)?shù)臈l件下，通過中斷或者外部事件喚醒MCU。

但是， 從第二點(diǎn)可以看出，每次當(dāng)OS系統(tǒng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)，也會(huì)將MCU從低功耗模式中喚醒，而頻繁的進(jìn)入低功耗模式/從低功耗模式中喚醒會(huì)使得MCU無法進(jìn)入深度睡眠，對(duì)低功耗設(shè)計(jì)而言也是不合理的。

在FreeRTOS中給出了一種低功耗設(shè)計(jì)模式 ——Tickless Idle Mode， 這個(gè)方法可以讓MCU更長的時(shí)間處于低功耗模式。

Tickless Idle Mode 的原理及實(shí)現(xiàn)

情景分析

上圖是任務(wù)調(diào)度示意圖，橫軸是時(shí)間軸，T1，T2，T3，T4是RTOS的時(shí)間片基準(zhǔn)，有四個(gè)任務(wù)分別是TaskA，TaskB，TaskC，TaskD：

• 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(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度之間，會(huì)有四次空閑期間（此時(shí)RTOS會(huì)調(diào)度Idle任務(wù)運(yùn)行， 軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)該是盡可能使MCU在Idle任務(wù)運(yùn)行時(shí)處于低功耗模式）。

1.Idle1

Idle任務(wù)運(yùn)行期間，會(huì)產(chǎn)生一次系統(tǒng)時(shí)鐘滴答，此時(shí)會(huì)喚醒MCU，喚醒后MCU又會(huì)進(jìn)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(dāng)調(diào)整系統(tǒng)定時(shí)器中斷使得T1時(shí)不觸發(fā)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷， 中斷觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置為Task B到來時(shí)。

2. Idle2

Task C在系統(tǒng)滴答到達(dá)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；

3.Idle3

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

4. Idle4

與Idle1情況相同。

Tickless Idle Mode 的軟件設(shè)計(jì)原理

Tickless Idle Mode的設(shè)計(jì)思想在于盡可能地在MCU空閑時(shí)使其進(jìn)入低功耗模式。從上述情景中可以看出軟件設(shè)計(jì)需要解決的問題有：

• 合理地進(jìn)入低功耗模式（避免頻繁使MCU在低功耗模式和運(yùn)行模式下進(jìn)行不必要的切換）；RTOS的系統(tǒng)時(shí)鐘源于硬件的某個(gè)周期性定時(shí)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(gè)周期性任務(wù)（或者定時(shí)器任務(wù)） 的觸發(fā)時(shí)間，如上文所述，調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)器中斷觸發(fā)時(shí)間，可以避免RTOS進(jìn)入不必要的時(shí)間中斷，從而更長的時(shí)間停留在低功耗模式中，此時(shí) RTOS 的時(shí)鐘不再是周期的而是動(dòng)態(tài)的（在原有的時(shí)鐘基準(zhǔn)時(shí)將不再產(chǎn)生中斷，即Tickless）。

• 當(dāng)MCU被喚醒時(shí)，通過某種方式為系統(tǒng)時(shí)鐘提供補(bǔ)償。MCU可能被兩種情況所喚醒，動(dòng)態(tài)調(diào)整過的系統(tǒng)時(shí)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(yùn)行在低功耗模式下的某種定時(shí)器來計(jì)算出MCU處于低功耗模式下的時(shí)間，在MCU喚醒后對(duì)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行軟件補(bǔ)償；

• 軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(shí)器） 是不同的，RTOS的系統(tǒng)時(shí)鐘可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

Tickless Idle Mode 的實(shí)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(tái)時(shí)，SRAM和寄存器的數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失， 此外需要一個(gè)定時(shí)器為RTOS提供系統(tǒng)時(shí)鐘， 這里選擇Sleep模式下進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1. 使能

#defineconfigUSE_TICKLESS_IDLE1

2. 空閑任務(wù)（RTOS 空閑時(shí)自動(dòng)調(diào)用）

3. 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(diǎn)長……）

最后

STM32家族中擁有不同的系列，特別是專為低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)的 L 系列，為其設(shè)計(jì)RTOS低功耗特性實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有更多的實(shí)現(xiàn)方式（例，某種模式下內(nèi)核停止運(yùn)行， 此時(shí)可以使用外部定時(shí)器或者RTC來代替Systick作為系統(tǒng)定時(shí)器）。