探究STM32、FreeRTOS低功耗設(shè)計(jì)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(jì)到一個(gè)問(wèn)題，那就是低功耗。 本文為大家講講基于STM32、FreeRTOS實(shí)現(xiàn)低功耗思想和原理。

一

低功耗設(shè)計(jì)常規(guī)思路應(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：1. 當(dāng) Idle 任務(wù)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入低功耗模式；2. 在適當(dāng)?shù)臈l件下，通過(guò)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(wú)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(zhǎng)時(shí)間的處于低功耗模式。

二Tickless Idle Mode原理及實(shí)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(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，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(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） 。

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(wú)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(lái)時(shí)；

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；

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；

Idle4： 與 Idle1 情況相同。

2. Tickless Idle Mode 的軟件設(shè)計(jì)原理

Tickless Idle Mode 的設(shè)計(jì)思想在于盡可能得在 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(wèn)題有：

a. 合理的進(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(zhǎng)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） ；

b. 當(dāng) MCU 被喚醒時(shí)，通過(guò)某種方式提供為系統(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(guò)的系統(tǒng)時(shí)鐘中斷或者突發(fā)性的外部事件，無(wú)論是哪一種情況，都可以通過(guò)運(yùn)行在低功耗模式下的某種定時(shí)器來(lái)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；

c. 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(lái)處理問(wèn)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。

3. 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)。 使能Tickless Idle：

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

RTOS空閑任務(wù)（空閑時(shí)自動(dòng)調(diào)用）實(shí)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(jìn)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(jìn)入低功耗模式和如何退出低功耗模式 */ /* 2. 系統(tǒng)時(shí)間補(bǔ)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(diǎn)長(zhǎng)……）

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

最長(zhǎng)睡眠時(shí)間不可以超過(guò)定時(shí)器的最大定時(shí)值 */ /* 通過(guò)調(diào)整定時(shí)器的時(shí)間基準(zhǔn)可以獲得更理想的最大定時(shí)值 */ if（ xExpectedIdleTime 》 xMaximumPossibleSuppressedTicks ） { xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks; } /* 停止 SysTick */ portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT; /*

計(jì)算喚醒時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間，用于喚醒后的系統(tǒng)時(shí)間補(bǔ)償 */ ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG + （ ulTimerCountsForOneTick * （ xExpectedIdleTime - 1UL ） ）; if（ ulReloadValue 》 ulStoppedTimerCompensation ） { ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation; } __disable_interrupt（）; /*

確認(rèn)下是否可以進(jìn)入低功耗模式 */ if（ eTaskConfirmSleepModeStatus（） == eAbortSleep ） { /* 不可以，重新啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)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(jìn)入低功耗模式 */ /* 保存時(shí)間補(bǔ)償，重啟系統(tǒng)定時(shí)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(jìn)入低功耗模式，可以通過(guò) configPRE_SLEEP_PROCESSING 函數(shù)進(jìn)行低功耗模式下 時(shí)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(shí)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(shí)器喚醒，時(shí)間補(bǔ)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(shí)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(jì)存在很多影響功耗的因素，比如電路設(shè)計(jì)、IO引腳配置等。

MCU實(shí)現(xiàn)低功耗的方法和種類有很多，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意一些低功耗細(xì)節(jié)問(wèn)題。

最后，以上方法僅供學(xué)習(xí)參考，具體請(qǐng)按照實(shí)際項(xiàng)目選擇合理的低功耗設(shè)計(jì)方案。

編輯：jq