FreeRTOS源码分析-12 低功耗管理
目录
1 STM32低功耗管理概念及应用
1.1睡眠模式
1.2 停止模式
1.3 待机模式
2 Tickless低功耗管理
2.1 Tickless低功耗模式介绍
2.2 FreeRTOS低功耗模式配置
2.3 FreeRTOS低功耗模式应用
3 低功耗管理实际项目开发
3.1 低功耗设计必须要掌握的硬件知识
3.2 开发板电路低功耗分析
3.3 HAL库低功耗处理相关接口
4 低功耗实现原理
4.1 空闲任务详解
4.2 任务删除自身详解
4.3 Tickless业务流程
4.4 休眠处理详解
1 STM32低功耗管理概念及应用
低功耗产品案例
ADC是模拟电路，调压电路时数字电路，模数分离所以ADC是单独电路。
核心功耗在调压供电电路，关闭外设时钟即能关闭外设。
1.1睡眠模式
在睡眠模式中，仅关闭了内核时钟，内核停止运行，但其片上外设，CM4核心的外设全都还照常运行。
有两种方式进入睡眠模式，它的进入方式决定了从睡眠唤醒的方式，分别是WFI(wait for interrupt)和WFE(wait for event，也可以由中断唤醒，但是不会去处理中断)，即由等待“中断”唤醒和由“事件”唤醒。睡眠模式的各种特性见下表
1.2 停止模式
在停止模式中，进一步关闭了其它所有的时钟，于是所有的外设都停止了工作，但由于其1.2V区域的部分电源没有关闭，还保留了内核的寄存器、内存的信息。
所以从停止模式唤醒，并重新开启时钟后，还可以从上次停止处继续执行代码。停止模式可以由任意一个外部中断(EXTI)唤醒。在停止模式中可以选择电压调节器为开模式或低功耗模式，可选择内部FLASH工作在正常模式或掉电模式。（唤醒后，要重新初始化外设时钟）
一般都把FLASH掉电模式和、FLASH掉电模式都设置为处于关闭状态。唤醒后会有延迟，需要产品对延迟容忍度的考虑。
1.3 待机模式
待机模式，它除了关闭所有的时钟，还把1.2V区域的电源也完全关闭了，也就是说，从待机模式唤醒后，由于没有之前代码的运行记录，只能对芯片复位，重新检测boot条件，从头开始执行程序。它有四种唤醒方式，分别是WKUP(PA0)引脚的上升沿，RTC闹钟事件，NRST引脚的复位和IWDG(独立看门狗)复位。
内存掉电了，程序是错乱的，所以只有上述几种复位
2 Tickless低功耗管理
2.1 Tickless低功耗模式介绍
Idle task 任务中会调用tickless，当休眠时间>10ms那么会进入低功耗模式，可选择3种休眠模式
再分析多任务调度源码的时候，有个UnblockTime，我们可以把这个值传给tickless，来计算下个任务需要调度的时间。
2.2 FreeRTOS低功耗模式配置
问：为什么要大于2个tick值？
进入休眠模式，需要进行很多判断处理一些外设等。
2.3 FreeRTOS低功耗模式应用
CubeMX
生成代码后Freertos.c中会多两个代码
#if configUSE_TICKLESS_IDLE == 1
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING PreSleepProcessing
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING PostSleepProcessing
#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE == 1 */
void PreSleepProcessing(uint32_t *ulExpectedIdleTime);
void PostSleepProcessing(uint32_t *ulExpectedIdleTime);自写休眠函数
__weak void PreSleepProcessing(uint32_t *ulExpectedIdleTime)
{
/* place for user code */
printf("input sleep mode!\r\n,ulExpectedIdleTime = %u\r\n",*ulExpectedIdleTime);//休眠时间tick值打印
HAL_SuspendTick(); //先挂起Systick
HAL_PWREx_EnableFlashPowerDown();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOH_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOI_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_DISABLE();
}
__weak void PostSleepProcessing(uint32_t *ulExpectedIdleTime)
{
/* place for user code */
HAL_PWREx_DisableFlashPowerDown();
printf("output sleep mode!\r\n");
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOI_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
//HAL_ResumeTick(); //不能再这恢复tick值，否则会不断唤醒
}如果不挂起Systick和不注释TIM6，会不断触发中断唤醒，还需要查看每个任务中osDelay，不能设太小。
3 低功耗管理实际项目开发
不启用Tickless，烧写程序，直接接电流表测试功耗
启用后在测试电流
程序 TimerTask Tickless L去除LCD 关闭GPIO外设时钟&Flash DOWN
工作电流 441mA 395mA 193mA 192mA
休眠程序减少 46mA
3.1 低功耗设计必须要掌握的硬件知识
主要从四个方面控制功耗：
- 主控芯片
- 电源管理
- 外设模块
- 外设接口
3.2 开发板电路低功耗分析
根据原理图找芯片手册www.alldatasheet.com
电源芯片手册，静态电流5ma
3.3 HAL库低功耗处理相关接口
4 低功耗实现原理
4.1 空闲任务详解
idleTack
void vTaskStartScheduler( void )
//空闲任务创建
xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,
"IDLE", configMINIMAL_STACK_SIZE,
( void * ) NULL,
( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ),
&xIdleTaskHandle );
/*
全局搜索IDLE，发现portTASK_FUNCTION，再次搜索这个宏是方便用户开发，其他语言也能实
现，相当于
*/
#define portTASK_FUNCTION_PROTO( vFunction, pvParameters ) void vFunction( void *pvParameters )
/*
空闲任务，宏定义实际相当于void prvIdleTask( void *pvParameters );
*/
static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask, pvParameters )
{
/* Stop warnings. */
( void ) pvParameters;
/** THIS IS THE RTOS IDLE TASK - WHICH IS CREATED AUTOMATICALLY WHEN THE
SCHEDULER IS STARTED. **/
for( ;; )
{
/*检查任务删除自身处理 */
prvCheckTasksWaitingTermination();
/*判断调度器工作模式是否开启了优先级抢占模式*/
#if ( configUSE_PREEMPTION == 0 )
{
/*
1、触发了上下文切换
2、让调度器判断是否有其他任务，处于了就绪态，然后进行调度
*/
taskYIELD();
}
#endif /* configUSE_PREEMPTION */
//调度器使能抢占式
#if ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 ) )
{
/*
列表项检查：
1、和空闲任务处于同一优先级的任务，处于就绪态
2、进行上下文切换
3、高于空闲任务优先级的任务，有调度器进行处理
*/
if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ tskIDLE_PRIORITY ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 )
{
taskYIELD();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 ) ) */
/*
钩子函数，主要让用户自己填充代码
*/
#if ( configUSE_IDLE_HOOK == 1 )
{
extern void vApplicationIdleHook( void );
/* 用户自己实现，比如检测外部信息 */
vApplicationIdleHook();
}
#endif /* configUSE_IDLE_HOOK */
/* 低功耗处理功能 */
#if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 )
{
TickType_t xExpectedIdleTime;
/* 获取系统的最小时间片 */
xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
//判断是否大于休眠空闲处理的最小间隔=2tick
if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
{
//挂起调度器
vTaskSuspendAll();
{
/* 又一次获取获取系统的最小时间片，防止挂起调度器期间又有任务更新*/
xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
//再次判断
if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
{
//进入了休眠处理，传入系统的最小时间片
portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
//恢复调度器
( void ) xTaskResumeAll();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
}
}
低功耗处理慢点分析，先查看一下任务删除自身的源码分析。
4.2 任务删除自身详解
结合之前任务删除分析，uxDeletedTasksWaitingCleanUp 在vTaskDelete进行加1处理
/*任务删除自身*/
static void prvCheckTasksWaitingTermination( void )
{
/** THIS FUNCTION IS CALLED FROM THE RTOS IDLE TASK **/
#if ( INCLUDE_vTaskDelete == 1 )
{
BaseType_t xListIsEmpty;
/*
遍历将要删除的任务
uxDeletedTasksWaitingCleanUp 在vTaskDelete进行加1处理
*/
while( uxDeletedTasksWaitingCleanUp > ( UBaseType_t ) 0U )
{
//挂起了调度器
vTaskSuspendAll();
{
//读取删除任务自身列表里任务状态是否为空
xListIsEmpty = listLIST_IS_EMPTY( &xTasksWaitingTermination );
}
//开启调度器
( void ) xTaskResumeAll();
if( xListIsEmpty == pdFALSE )
{
//删除任务
TCB_t *pxTCB;
//进入临界段
taskENTER_CRITICAL();
{
/*
1、获取任务控制块
2、从任务列表项移除任务
3、任务总计数减一
4、等待删除计数减一
*/
pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &xTasksWaitingTermination ) );
( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
--uxCurrentNumberOfTasks;
--uxDeletedTasksWaitingCleanUp;
}
//退出临界段
taskEXIT_CRITICAL();
//释放了任务控制块
prvDeleteTCB( pxTCB );
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
}
#endif /* INCLUDE_vTaskDelete */
}
问：为什么挂起调度器？
不需要别的任务调度，以免影响读取删除任务列表状态。
4.3 Tickless业务流程
大于2个TICK才有意义去处理休眠
先跳转在4.1中低功耗处理分析代码，将要获取的空闲时间xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime()。
最后进入portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime )
4.4 休眠处理详解
计算systick装载值
Systick最大值为24bit
/*
获取最小系统时间片
*/
static TickType_t prvGetExpectedIdleTime( void )
{
TickType_t xReturn;
UBaseType_t uxHigherPriorityReadyTasks = pdFALSE;
/* */
#if( configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION == 0 )
{
//就绪态的任务优先级高于空闲
if( uxTopReadyPriority > tskIDLE_PRIORITY )
{
uxHigherPriorityReadyTasks = pdTRUE;
}
}
#else
{
const UBaseType_t uxLeastSignificantBit = ( UBaseType_t ) 0x01;
/* 就绪态的任务优先级高于空闲 */
if( uxTopReadyPriority > uxLeastSignificantBit )
{
uxHigherPriorityReadyTasks = pdTRUE;
}
}
#endif
//当前任务优先级高于空闲任务
if( pxCurrentTCB->uxPriority > tskIDLE_PRIORITY )
{
xReturn = 0;
}
//与空闲任务优先级相同的其他任务处于就绪态
else if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ tskIDLE_PRIORITY ] ) ) > 1 )
{
xReturn = 0;
}
//高优先级任务处于就绪态
else if( uxHigherPriorityReadyTasks != pdFALSE )
{
/* There are tasks in the Ready state that have a priority above the
idle priority. This path can only be reached if
configUSE_PREEMPTION is 0. */
xReturn = 0;
}
else //空闲任务优先级最高，才计算
{
//系统解锁时间-系统tick计数值== 就是当前系统的最小时间片
xReturn = xNextTaskUnblockTime - xTickCount;
}
return xReturn;
}
进入低功耗模式
恢复systick
portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
//这个函数，是需要用户自己实现，但是STM32FreeRTOS已经帮我们实现
extern void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime );
#define portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime ) vPortSuppressTicksAndSleep( xExpectedIdleTime )
#endif
/*
低功耗实际处理函数
1、传入系统的最小时间片
*/
__weak void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
{
uint32_t ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods, ulCompletedSysTickDecrements, ulSysTickCTRL;
TickType_t xModifiableIdleTime;
/* 判断
系统最小时间片是否大于systick的最大装载周期 单位都tick
*/
if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
{
//系统最小时间片=systick最大装载周期
//如果获取系统最小时间片很大，但是systick休眠周期的最大值就是最大装载值
//为什么这样设计？？？？
1、systick定时器受限制（定时周期）
2、保证systick精度问题
xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
}
/* 关闭systick定时器 */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
/*
systick重载值= 当前的systick计数值+单次系统tick装载值*（系统最小时间片-1）
*/
ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG + ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) );
//装载值是否大于补偿周期 之后减去补偿周期
//最终计算出，systick重载值
if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
{
ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
}
/* 关闭中断
关闭所有中断 和 进入临界段不一样
虽然关闭了中断，但是可以唤醒CPU,不进行中断处理
*/
__disable_irq();
__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );
/* 是否有其他任务，进入了就绪态 */
if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
{
//终止休眠
/* 当前的systick计数值，放到systick装载寄存器中 */
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
/* 启动systick */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
/* 重新赋值装载寄存器值为一个系统的tick周期. */
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
/* 开启中断 */
__enable_irq();
}
else
{
/* 装载休眠systick装载值 */
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulReloadValue;
/* 清除systick当前计数值 */
portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
/* 启动systick定时器*/
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
/* */
xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
//这个就是给我用户提供的接口，让我自己实现休眠处理，其实就是进一步降低功耗
configPRE_SLEEP_PROCESSING( &xModifiableIdleTime );
if( xModifiableIdleTime > 0 )
{
//让CPU休眠
__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
__wfi();
__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );
}
//退出处理
configPOST_SLEEP_PROCESSING( &xExpectedIdleTime );
/* 停止systick定时器 */
ulSysTickCTRL = portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG;
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( ulSysTickCTRL & ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
/* 使能中断 */
__enable_irq();
//判断是否为systick唤醒的
if( ( ulSysTickCTRL & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT ) != 0 )
{
uint32_t ulCalculatedLoadValue;
/*systick恢复值= 单个tick周期值- （休眠装载值-当前systick计数值）*/
ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) - ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );
/*
这是一个保护处理
1、装载值很小，就赋值为1个tick周期
2、装载很大，也赋值为1个tick周期
*/
if( ( ulCalculatedLoadValue < ulStoppedTimerCompensation ) || ( ulCalculatedLoadValue > ulTimerCountsForOneTick ) )
{
ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL );
}
//装载恢复systick装载值
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue;
/* 休眠周期的补偿值，单位为tick 也就是1ms单位 */
ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
}
else
{
/* 休眠运行装载值= 休眠装载值-当前systick计数值）*/
ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime * ulTimerCountsForOneTick ) - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
/* 休眠运行周期，单位为tick值 */
ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements / ulTimerCountsForOneTick;
//装载恢复systick装载值
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1UL ) * ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements;
}
/* 清除systick计数值*/
portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
portENTER_CRITICAL();
{
/*
1、使能了systick
2、补偿系统的tick周期值，也是说，tick运行了多长时间（tick值）
为什么这样做？
在调度器恢复的时候，会根据tick值，进行遍历的，保证实时性
3、恢复systick周期为1个tick值
*/
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
}
portEXIT_CRITICAL();
}
}
这些逻辑都是在调试中发现的，主要去理解先计算Systick装载值，在进入休眠，在恢复三个不住。