基于STM32的FREERTOS平台下的低功耗设计原理

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一.前言
目前,越来越多的嵌入式产品开发使用 RTOS 作为软件平台,同时,开发中对低功耗的要求也越越高,这篇文档讨论一下如何在FREERTOS中处理STM32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,低功耗设计大致思路如下:
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。
从第二点可以看出,每次当 OS 系统中的定时器产生中断时,也会将MCU从低功耗模式中唤醒,而频繁的进入休眠及唤醒会使得MCU 无法进入深度睡眠,对低功耗设计也是不合理的。
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
2.1 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。

先看一个具体事例:

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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。

2.2 从上述情景中可以看出软件设计需要解决的问题有:

a. 合理地进入低功耗模式(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ysTick);

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。

2.3. 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 平台下,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。

三. 结尾
STM32 家族中拥有不同的系列,特别是针对L系列的低功耗应用设计,为其设计 RTOS 低功耗特性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)。

以STM32F4为例,在STM32CubeF4的固件库里有相关低功耗应用例程。固件包解压后它位于…\stm32cubef4\STM32Cube_FW_F4_V1.10.0\Projects\STM324x9I_EVAL\Applications\FreeRTOS\FreeRTOS_LowPower,有兴趣的可以自行阅读。

 

 

 
 
 
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