RTOS低功耗设计原理及实现_TicklessMode(FreeRTOS的实现).pdf-资料库

RTOS 低功耗设计原理及实现 Tickless Idle Mode （FreeRTOS 下的实现）一. 前言目前，越来越多的嵌入式产品在开发中使用 RTOS 作为软件平台，同时，开发中对低功耗的要求也越来越高，这篇文档会讨论一下如何在 RTOS 中处理微控制器的低功耗特性。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。二．Tickless Idle Mode 的原理及实现 1. 情景分析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 #define configUSE_TICKLESS_IDLE 1  空闲任务（RTOS 空闲时自动调用） /* Idle 任务 */ void prvIdleTask( void *pvParameters ) { for( ; ; ) { ... TickType_t xExpectedIdleTime; #if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 ) { /* 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 */ ... } }  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……） xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks; __disable_interrupt(); unsigned long ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods, portTickType xModifiableIdleTime; /* 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 + /* 停止 SysTick */ portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation ) { } ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation; /* 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 ) { } void vPortSuppressTicksAndSleep( portTickType xExpectedIdleTime ) { ulCompletedSysTickDecrements; portNVIC_SYSTICK_INT_BIT; ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) ); portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT; /* 确认下是否可以进入低功耗模式 */ if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep ) { } else { /* 可以进入低功耗模式 */ /* 保存时间补偿，重启系统定时器 */ /* 不可以，重新启动系统定时器 */ portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG; portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL; __enable_interrupt(); portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulReloadValue; portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;

/* 进入低功耗模式，可以通过 configPRE_SLEEP_PROCESSING 函数进行低功耗模式下 portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT; 时钟及外设的配置*/ xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime; configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime ); if( xModifiableIdleTime > 0 ) { } /* 退出低功耗模式 */ __DSB(); __WFI(); __ISB(); configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime ); { /*唤醒有两种情况：系统定时器或者外部事件（中断）*/ portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | __disable_interrupt() __enable_interrupt(); /* 系统定时器唤醒，时间补偿 */ unsigned long ulCalculatedLoadValue; ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) – portNVIC_SYSTICK_INT_BIT; if((portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT) != 0) ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG ); ( ulCalculatedLoadValue > ulTimerCountsForOneTick ) ) ulTimerCountsForOneTick ) - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG; ulTimerCountsForOneTick; { } portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue; ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL; /* 外部事件（中断）唤醒 */ ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime * ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements / } else { if( ( ulCalculatedLoadValue < ulStoppedTimerCompensation ) || ulCalculatedLoadValue = (ulTimerCountsForOneTick - 1UL);

} /* 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_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1 ) * ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements; 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(); } 4. 写在最后的话 STM32 家族中拥有不同的系列，特别是专为低功耗应用设计的 L 系列，为其设计 RTOS 低功耗特性实现时可以有更多的实现方式（例，某种模式下内核停止运行，此时可以使用外部定时器或者 RTC 来代替 Systick 作为系统定时器）。

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