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基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理

strongerHuang strongerHuang 2022-09-10

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作者 | strongerHuang

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如今电池供电的产品很多,电池供电通常设计到一个问题,那就是低功耗。

本文为大家讲讲基于STM32FreeRTOS实现低功耗思想和原理。

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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:
1. 当 Idle 任务运行时,进入低功耗模式;
2. 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

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Tickless Idle Mode原理及实现

1. 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。

2. 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。

3. 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(); }}

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最后

低功耗的设计存在很多影响功耗的因素,比如电路设计、IO引脚配置等。


MCU实现低功耗的方法和种类有很多,设计时需要注意一些低功耗细节问题。


最后,以上方法仅供学习参考,具体请按照实际项目选择合理的低功耗设计方案。


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