基于STM32的FREERTOS平臺(tái)下的低功耗設(shè)計(jì)原理

目前，越來(lái)越多的嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)使用 RTOS 作為軟件平臺(tái)，同時(shí)，開(kāi)發(fā)中對(duì)低功耗的要求也越越高，這篇文檔討論一下如何在FREERTOS中處理STM32微控制器的低功耗特性。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， 低功耗設(shè)計(jì)大致思路如下：

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。

從第二點(diǎn)可以看出，每次當(dāng) OS 系統(tǒng)中的定時(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)入休眠及喚醒會(huì)使得MCU 無(wú)法進(jìn)入深度睡眠，對(duì)低功耗設(shè)計(jì)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 的原理及實(shí)現(xiàn)

2.1 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。

先看一個(gè)具體事例：

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。

2.2 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. 合理地進(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ysTick）；

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。

2.3. 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)下，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)。

三. 結(jié)尾

STM32 家族中擁有不同的系列，特別是針對(duì)L系列的低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)，為其設(shè)計(jì) RTOS 低功耗特性時(shí)可以有更多的實(shí)現(xiàn)方式（例，某種模式下內(nèi)核停止運(yùn)行，此時(shí)可以使用外部定時(shí)器或者RTC 來(lái)代 替 Systick 作為系統(tǒng)定時(shí)器）。

以STM32F4為例，在STM32CubeF4的固件庫(kù)里有相關(guān)低功耗應(yīng)用例程。固件包解壓后它位于…\stm32cubef4\STM32Cube_FW_F4_V1.10.0\Projects\STM324x9I_EVAL\Applications\FreeRTOS\FreeRTOS_LowPower,有興趣的可以自行閱讀。