FreeRTOS的Tickless和STM32的STOP结合实现嵌入式低功耗 (amobbs.com 阿莫电子论坛)

本帖最后由 10xjzheng 于 2015-9-29 21:42 编辑

首先我们先来看下结果，如下图所示，我建立了两个LED翻转的任务，一个是200ms间隔，一个是500ms间隔，如第一二个波形所示，
第三波形如果是高电平，则处于STOP模式，如果是低电平，则处于run模式。

将波形进行放大，可以看到芯片及时地在任务1、2执行之前进行翻转。

首先我们来讨论下嵌入式系统的低功耗，简单地思路是干完活进入空闲任务的时候进入，然后醒来查看是否有任务需要执行，没有的话就继续进入空闲任务，这样子看来看来似乎还是可以的。
下面我们来看一个案例，只有一个任务，运行频率时1Hz，下面中我们可以看到在这1s内CPU不断地醒来，睡去，那么我们不禁回想，
既然已经知道任务地执行频率时1Hz，为什么还要频繁地查询？频繁地查询其实是很耗时的，因为进入和退出都需要一定的时间。

因此Tickless应运而生，在操作系统的管理之下，计算下一次应该醒来的准确时间，以实现长而少的睡眠-唤醒，而不是跟着tick的频
率无谓地醒来检查。正如我放上来的第一张图，可以看到需要翻转的时候，CPU就醒来才进行翻转。
接着我们需要结合CPU的低功耗模式来看看那种模式比较合适。

有三种模式，这三种模式工作的单元越来越少，而功耗也越来越低，首先standby不符合我的系统，醒来相当于复位。sleep和stop的
主要区别是stop模式下HSI、HSE时钟也会被关掉（这就是为什么系统醒来之后会好像慢了一样），stop模式的功耗也更低，粗略测
试时几mA，关掉HSI、HSE对我的系统没有什么影响，最多醒来的时候再配置一下。但是唤醒源不能再是任何的时钟了，只能是
EXTI Line，包括了RTC wake up定时器，于是我得首先将systick转变成RTC wake up timer，让它来担任其系统心跳的职责，修改的
步骤如下。
freeRTOS官方已经意识到担任心跳的定时器有可能限制于低功耗、在tickless模式溢出等因素不能进行工作，因此有文章介绍了怎么
修改为别的定时器来担任这个职责。
http://www.freertos.org/low-power-ARM-cortex-rtos.html
主要分为几个步骤：
1.配置新的定时器，然后将其覆盖掉其中的定时器配置。这里面有个很重要的点，将定时器的优先级配置为最低，至于为什么，见Cortex-M3中的图。

1. #if configOVERRIDE_DEFAULT_TICK_CONFIGURATION == 0
2. void vPortSetupTimerInterrupt( void )
3. {
4. /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
5. #if configUSE_TICKLESS_IDLE == 1
6. {
7. ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
8. xMaximumPossibleSuppressedTicks = (portMAX_16_BIT_NUMBER+1) / ulTimerCountsForOneTick;
9. //                        ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ / configSYSTICK_CLOCK_HZ );
10. ulStoppedTimerCompensation=0;
11. }
12. #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
13. /* Configure RTC to interrupt at the requested rate. */
14. RTC_Config();
15. //                portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
16. //                portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
17. }
18. #endif /* configOVERRIDE_DEFAULT_TICK_CONFIGURATION */

复制代码

2.删除掉Systick中断函数调用的osSystickHandler();，给RTC的wake up 定时器中断。
接着我们就要开始配置tickless模式了。
1.首先将configUSE_TICKLESS_IDLE这个宏置1 or 2，1表示使用systick，2表示使用另外的定时器。
这个宏为1，则使用官方在port.c中的移植。
这个宏为2，可以使用自己的一些移植。
实际上我是使能为1，使用非systick中断，但是对应修改官方移植好的函数。
2.配置下面几个宏

这个宏是你定时器计数的频率，我的RTC配置为2KHz，所以这里配置为2000
#define configCPU_CLOCK_HZ                        ( 2000 )
这个宏是心跳的频率，我设置为1000
#define configTICK_RATE_HZ                        ( ( TickType_t ) 1000 )
这几个设置的作用见前面的函数vPortSetupTimerInterrupt，这个函数中间还有变量ulStoppedTimerCompensation，这个变量是在
配置tickless的过程中暂时关掉定时器需要设置的偏移，至于多少要用逻辑分析仪测试一下，然后配置下就可以，上面直接配置为0。

2.修改函数vPortSuppressTicksAndSleep，这个函数就是系统调用进入stop模式之前的配置，这里涉及到一些定时器最大可以定时
的时间等等参数的配合。这个函数有一个参数，这个参数表示要延时的tick数，函数中我们可以将其转化为定时器要延时的时间个数。
这个函数在系统的管理之下，只有满足两个条件才运行。
1.首先所有的任务都是挂起或者阻塞的状态。
2.下一次系统应该醒来的时间应该大于configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP，这个宏是用户可以定义的，默认配置为2。

1. /*-----------------------------------------------------------*/
2. #if configUSE_TICKLESS_IDLE == 1
3. __weak void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
4. {
5. uint32_t ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods, ulCompletedSysTickDecrements, ulSysTickCTRL;
6. TickType_t xModifiableIdleTime;
7. uint32_t i,j;
8. /* 确保计算出来的不会超过xMaximumPossibleSuppressedTicks */
9. if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
10. {
11. xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
12. }
13. //计算定时器需要重装的值
14. ulReloadValue =  ( ulTimerCountsForOneTick * xExpectedIdleTime );
15. //允许减去一些偏移，ulStoppedTimerCompensation在函数vPortSetupTimerInterrupt中可以进行配置
16. //可以通过逻辑分析仪测量，单位跟定时器是一样的
17. if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
18. {
19. ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
20. }
21. /* 暂时关闭掉RTC定时器，配置RTC，这会导致系统时钟的一些漂移*/
22. RTC_WakeUpCmd(DISABLE);
23. //进入临界段
24. __disable_irq();
25. //最后检查下是否可以进入低功耗模式，因为有可能在这个配置过程中发生中断，导致某些任务就绪等等
26. if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
27. {
28. //将RTC配置为原来的配置
29. RTC_SetWakeUpCounter(ulTimerCountsForOneTick-1);
30. //使能RTC
31. RTC_WakeUpCmd(ENABLE);
32. //退出临界段
33. __enable_irq();
34. }
35. else
36. {
37. //重装值为前面计算好的
38. RTC_SetWakeUpCounter(ulReloadValue);
39. //使能RTC定时器
40. RTC_WakeUpCmd(ENABLE);
41. xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
42. //进入低功耗之前需要做的配置，比如关闭外设时钟
43. configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );
44. if( xModifiableIdleTime > 0 )
45. {
46. __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
47. //进入低功耗stop模式，在这里插入CPU进入低功耗的语句
48. PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
49. //                                __isb( portSY_FULL_READ_WRITE );
50. }
51. //退出低功耗模式应该做的事情
52. configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
53. //重新使能中断
54. __enable_irq();
55. //没有这个延时RTCWakeupFlag居然为0，我操，不知道为什么
56. for(i=0;i<5;i++);
57. printf("44:%d-\r\n",RTCWakeupFlag);
58. //看下是不是tick中断到期，因为其他的中断也是可以唤醒CPU，执行到这里来的，计算重载值
59. if( RTCWakeupFlag==SET )
60. {
61. uint32_t ulCalculatedLoadValue;
62. //                                Uart_Sendbyte1('A');
63. //这里省略精确的计算
64. //                                //精确计算下一个需要延时的时间，一个tick需要延时的时间减去从长延时恢复之后到现在一共过了的时间
65. //                                ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) - ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );
66. //                                //计算出来的越界了，可能是因为函数configPOST_SLEEP_PROCESSING运行太久了！
67. //                                if( ( ulCalculatedLoadValue < ulStoppedTimerCompensation ) || ( ulCalculatedLoadValue > ulTimerCountsForOneTick ) )
68. //                                {
69. //                                        ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL );
70. //                                }
71. //计算修正的值
72. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
73. }
74. else  //不是tick中断，其他的中断
75. {
76. //                                Uart_Sendbyte1('B');
77. //已经完成的定时器计数
78. //                                ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime * ulTimerCountsForOneTick ) - RTC_GetWakeUpCounter();
79. //计算已经完成的延时的tick数，偏少
80. //                                ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements / ulTimerCountsForOneTick;
81. //这个是错误的，由于RTC没有
82. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
83. //                                //小数部分
84. //                                portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1 ) * ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements;
85. }
86. printf("55:%d-\r\n",RTCWakeupFlag);
87. //最后把计算值重装到寄存器
88. RTC_SetWakeUpCounter( ulTimerCountsForOneTick - 1UL );
89. portENTER_CRITICAL();
90. {
91. //修正Tick计数
92. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
93. }
94. portEXIT_CRITICAL();
95. }
96. }
97. #endif /* #if configUSE_TICKLESS_IDLE */

复制代码

不足：
由于唤醒定时器位数是有限的，可能有的时候tickless要延时很久，而定时器无法延时比较久的时间。
这个当然是通过分次睡眠唤醒来解决咯。

问题：
如果只有tick中断还好，如果是其他的中断让CPU醒来呢？这个时候该怎么处理？
portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP是在空闲任务中被调用的，发生外部中断之后，首先会执行中断服务函数，中断服务函数运行过
程中如果没有任务就绪的话，那么很简单，程序会回到进入睡眠的那个地方，在空闲任务中，又重新执行vPortSuppressTicksAndSleep
进入睡眠模式。在外部中断中也有可能有一些任务会被就绪，中断出来之后会先进行任务切换到高优先级任务，等到所有的任务都执行
完毕了，就进入空闲任务中，也就是我们之前进入睡眠模式的那个地方，空闲任务又重新执行了函数vPortSuppressTicksAndSleep进入
tickless。CPU执行了一大圈才回到进入到空闲任务中的睡眠模式的那个点，貌似没有问题。有几个小细节不知道大家有没有注意到，我
们的tick计数值还没有更新，tick定时器也没有重新配置，唤醒之后需要配置外设启动那些也没有做。因为之前我们假设了从哪里休眠就
从哪里唤醒，但是这次不是这样子的！这是需要注意的点，我现在想到的解决办法就是不在中断中让任务就绪。你可能会说，那延时的
那些任务不是也会影响到吗？no，no，no！如果没有进入休眠之前的那个点，那么tick数还没有更新呢。由tick管理的这些任务包括软
件定时器的回调函数那些都不会被就绪的，所以这个是没有问题的。

问题：
下面这两个在进入休眠的前后是干什么的呢？
__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );
见下面网友回复。

问题：
宏configPRE_SLEEP_PROCESSING、configPOST_SLEEP_PROCESSING给的参数xModifiableIdleTime是干什么的呢？
见下面网友回复。

tickless的一些资料：
http://mcuoneclipse.com/2013/07/06/low-power-with-freertos-tickless-idle-mode/
http://www.freertos.org/low-power-ARM-cortex-rtos.html
http://www.freertos.org/low-power-tickless-rtos.html