基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理

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cathy 发布于：周五, 11/05/2021 - 17:13 ，关键词：

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。

1、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。

2、Tickless Idle Mode原理及实现

1）情景分析

FreeRTOS各任务情况：

“基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理"

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。

“基于STM32、FreeRTOS低功耗设计思路和原理"

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();
  }
}

3、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。

来源：strongerHuang
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