RTOS 低功耗设计原理及实现

RTOS 低功耗设计原理及实现

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‍前言

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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， 本文会讨论一下如何在 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：

• 当 Idle 任务运行时，进入低功耗模式；
• 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 更长的时间处于低功耗模式。

‍Tickless Idle Mode 的原理及实现

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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，TaskB，TaskC，TaskD：

• 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）。

1️⃣Idle1
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。

2️⃣Idle2
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；

3️⃣Idle3
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；

4️⃣Idle4
与 Idle1 情况相同。

‍Tickless Idle Mode 的软件设计原理

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Tickless Idle Mode 的设计思想在于尽可能地在 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：

• 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 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）。
• 当 MCU 被唤醒时，通过某种方式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；
• 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。

‍Tickless Idle Mode 的实现

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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。

1. 使能

#define configUSE_TICKLESS_IDLE    1

2. 空闲任务（RTOS 空闲时自动调用）

/* 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 */
   ...
  }
}

3. 低功耗模式处理（根据 MCU 的低功耗模式编写代码）

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();
  }
}

‍⚖️结尾

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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）。