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vesperW · 3月15日

实时系统低功耗原理及实现,非常实用的方案

前言

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:

  • 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。

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

情景分析

image.png

上图是任务调度示意图,横轴是时间轴, T1T2T3T4RTOS 的时间片基准,有四个任务分别是 TaskATaskBTaskCTaskD

  • 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 MCUIdle 任务运行时处于低功耗模式)。

1. 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 MCUIdle1 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。

2. 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;

3.Idle3

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;

4. Idle4

Idle1 情况相同。

Tickless Idle Mode 的软件设计原理

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)。
  • 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

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:SleepStop, 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。

image.png

1. 使能

#define configUSE_TICKLESS_IDLE    1

2. 空闲任务(RTOS 空闲时自动调用)

image.png

3. 低功耗模式处理(根据 MCU 的低功耗模式编写代码, 代码有点长……)

640.png

最后

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)。

作者:一起学嵌入式
来源:小麦大叔

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