基于STM32的FREERTOS平台下的低功耗设计原理

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：

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。