基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理

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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STM32、FreeRTOS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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