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)中使用复制RTOS作為軟件平臺， 同時，開發(fā)中對低功耗的要求也越來越高， 本文會討論一下如何在 RTOS 中處理微控制器的低功耗特性。

應用中使用的复制RTOS一般采用基于時間片輪轉(zhuǎn)的搶占式任務調(diào)度機制，一般的低功耗設計思路如下：

• 當复制Idle任務運行時，進入低功耗模式；

• 在適當?shù)臈l件下，通過中斷或者外部事件喚醒复制MCU。

但是， 從第二點可以看出，每次當复制OS系統(tǒng)定時器產(chǎn)生中斷時，也會將复制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复制MCU無法進入深度睡眠，對低功耗設計而言也是不合理的。

在复制FreeRTOS中給出了一種低功耗設計模式 ——复制Tickless Idle Mode， 這個方法可以讓复制MCU更長的時間處于低功耗模式。

Tickless Idle Mode 的原理及實現(xiàn)

情景分析

上圖是任務調(diào)度示意圖，橫軸是時間軸，复制T1，复制T2，复制T3，复制T4是复制RTOS的時間片基準，有四個任務分別是复制TaskA，复制TaskB，复制TaskC，复制TaskD：

• 复制Task A，周期性任務

• 复制Task B， 周期性任務

• 复制Task C，突發(fā)性任務

• 复制Task D，周期性任務

從圖中可以看出在四個任務進行調(diào)度之間，會有四次空閑期間（此時复制RTOS會調(diào)度复制Idle任務運行， 軟件設計的目標應該是盡可能使复制MCU在复制Idle任務運行時處于低功耗模式）。

1.复制Idle1

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

2. Idle2

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

3.Idle3

與复制Idle2情況相同，但复制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該添加策略；

4. Idle4

與复制Idle1情況相同。

Tickless Idle Mode 的軟件設計原理

复制Tickless Idle Mode的設計思想在于盡可能地在复制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計需要解決的問題有：

• 合理地進入低功耗模式（避免頻繁使复制MCU在低功耗模式和運行模式下進行不必要的切換）；复制RTOS的系統(tǒng)時鐘源于硬件的某個周期性定時器（复制Cortex-M系列內(nèi)核多數(shù)采用复制SysTick），复制RTOS的任務調(diào)度器可以預期到下一個周期性任務（或者定時器任務） 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，可以避免复制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，即复制Tickless）。

• 當复制MCU被喚醒時，通過某種方式為系統(tǒng)時鐘提供補償。复制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复制MCU處于低功耗模式下的時間，在复制MCU喚醒后對系統(tǒng)時間進行軟件補償；

• 軟件實現(xiàn)時，要根據(jù)具體的應用情景和复制MCU低功耗特性來處理問題。尤其是复制MCU的低功耗特性，不同复制MCU處于不同的低功耗模式下所能使用的外設（主要是定時器） 是不同的，复制RTOS的系統(tǒng)時鐘可以進行適當?shù)恼{(diào)整。

Tickless Idle Mode 的實現(xiàn)

這里以复制STM32F407系列的复制MCU為例， 首先需要明確的是复制MCU的低功耗模式，复制F407有 3 種低功耗模式：复制Sleep，复制Stop,复制Standby， 在复制RTOS平臺時，复制SRAM和寄存器的數(shù)據(jù)不應丟失， 此外需要一個定時器為复制RTOS提供系統(tǒng)時鐘， 這里選擇复制Sleep模式下進行實現(xiàn)。

1. 使能

复制#defineconfigUSE_TICKLESS_IDLE1

2. 空閑任務（RTOS 空閑時自動調(diào)用）

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

最后

复制STM32家族中擁有不同的系列，特別是專為低功耗應用設計的 L 系列，為其設計复制RTOS低功耗特性實現(xiàn)時可以有更多的實現(xiàn)方式（例，某種模式下內(nèi)核停止運行， 此時可以使用外部定時器或者复制RTC來代替复制Systick作為系統(tǒng)定時器）。