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標題: 基于STM32的FREERTOS平臺下的低功耗設計原理 [打印本頁]

作者: taoran 時間: 2016-10-10 23:48
標題: 基于STM32的FREERTOS平臺下的低功耗設計原理
一.前言

目前，越來越多的嵌入式產品開發使用 RTOS 作為軟件平臺，同時，開發中對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。應用中使用的RTOS 一般采用基于時間片輪轉的搶占式任務調度機制，低功耗設計大致思路如下：

1. 當Idle 任務運行時，進入低功耗模式；

2. 在適當的條件下，通過中斷或者外部事件喚醒MCU。

從第二點可以看出，每次當 OS 系統中的定時器產生中斷時，也會將MCU從低功耗模式中喚醒，而頻繁的進入休眠及喚醒會使得MCU 無法進入深度睡眠，對低功耗設計也是不合理的。

在 FreeRTOS 中給出了一種低功耗設計模式——Tickless Idle Mode，這個方法可以讓 MCU更長時間的處于低功耗模式。

二．Tickless Idle Mode 的原理及實現

2.1 Tickless Idle Mode 的設計思想在于盡可能得在MCU空閑時使其進入低功耗模式。

先看一個具體事例：

上圖是任務調度示意圖，橫軸是時間軸，T1，T2，T3，T4 是 RTOS的時間片基準，有四個任務分別是 TaskA,B,C,D，

Task A: 周期性任務

Task B: 周期性任務

Task C: 突發性任務

Task D: 周期性任務

從圖中可以看出在四個任務進行調度之間會有四次空閑期間（此時 RTOS 會調度 Idle 任務運行，軟件設計的目標應該是盡可能使 MCU 在 Idle 任務運行時處于低功耗模式）。

Idle1: Idle 任務運行期間，會產生一次系統時鐘滴答，此時會喚醒MCU，喚醒后 MCU 又會進入低功耗模式，這次喚醒是無意義的。期望使MCU 在 Idle1 期間一直處于低功耗模式，因此適當調整系統定時器中斷使得T1 時不觸發系統時鐘中斷，中斷觸發點設置為 Task B 到來時；

Idle2：Task C 在系統滴答到達前喚醒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 時間很短，如果這個時間很短，那么進入低功耗模式的意義并不大，因此在進入低功耗模式時軟件應該添加策略；

Idle4: 與 Idle1 情況相同。

2.2 從上述情景中可以看出軟件設計需要解決的問題有：

a. 合理地進入低功耗模式（避免頻繁使 MCU 在低功耗模式和運行模式下進行不必要的切換）;

RTOS 的系統時鐘源于硬件的某個周期性定時器（Cortex-M 系列內核多數采用ysTick）；

RTOS 的任務調度器可以預期到下一個周期性任務（或者定時器任務）的觸發時間，如上文所述，調整系統時鐘定時器中斷觸發時間，可以避免RTOS 進入不必要的時間中斷，從而更長的時間停留在低功耗模式中，此時 RTOS 的時鐘不再是周期的而是動態的（在原有的時鐘基準時將不再產生中斷，即 Tickless）；

b. 當 MCU被喚醒時，通過某種方式提供為系統時鐘提供補償，MCU可能被兩種情況所喚醒，動態調整過的系統時鐘中斷或者突發性的外部事件。無論是哪一種情況，都可以通過運行在低功耗模式下的某種定時器來計算出MCU 處于低功耗模式下的時間，在 MCU 喚醒后對系統時間進行軟件補償；

c. 軟件實現時，要根據具體的應用情景和MCU 低功耗特性來處理問題。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（主要是定時器）是不同的，RTOS 的系統時鐘可以進行適當的調整。

2.3. Tickless Idle Mode 的實現

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 平臺下，SRAM 和寄存器的數據不應丟失，此外需要一個定時器為RTOS 提供系統時鐘，這里選擇 Sleep模式下進行實現。

三. 結尾

STM32 家族中擁有不同的系列，特別是針對L系列的低功耗應用設計，為其設計 RTOS 低功耗特性時可以有更多的實現方式（例，某種模式下內核停止運行，此時可以使用外部定時器或者RTC 來代替 Systick 作為系統定時器）。

以STM32F4為例，在STM32CubeF4的固件庫里有相關低功耗應用例程。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。

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