RTOS 低功耗设计原理及实现

RTOS 低功耗设计原理及实现


文章目录

    • [RTOS 低功耗设计原理及实现](#RTOS 低功耗设计原理及实现)
    • 👨‍🏫前言
    • [👨‍🔬Tickless Idle Mode 的原理及实现](#👨‍🔬Tickless Idle Mode 的原理及实现)
    • [👨‍🚀Tickless Idle Mode 的软件设计原理](#👨‍🚀Tickless Idle Mode 的软件设计原理)
    • [👨‍💻Tickless Idle Mode 的实现](#👨‍💻Tickless Idle Mode 的实现)
    • 👨‍⚖️结尾

👨‍🏫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:

  • 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。
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👨‍🔬Tickless Idle Mode 的原理及实现


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


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


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

clike 复制代码
#define configUSE_TICKLESS_IDLE    1

2. 空闲任务(RTOS 空闲时自动调用)

clike 复制代码
/* 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)

clike 复制代码
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


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)。

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