如今電池供電的產品很多，電池供電通常設計到一個問題，那就是低功耗。 本文為大家講講基于STM32、FreeRTOS實現低功耗思想和原理。

一

低功耗設計常規思路應用中使用的 RTOS 一般采用基于時間片輪轉的搶占式任務調度機制，一般的低功耗設計思路如下：1. 當 Idle 任務運行時，進入低功耗模式；2. 在適當的條件下，通過中斷或者外部事件喚醒 MCU。

但是， 從第二點可以看出，每次當 OS 系統定時器產生中斷時，也會將 MCU 從低功耗模式中喚醒，而頻繁的進入低功耗模式/從低功耗模式中喚醒會使得 MCU 無法進入深度睡眠，對低功耗設計而言也是不合理的。 在 FreeRTOS 中給出了一種低功耗設計模式 ——Tickless Idle Mode， 這個方法可以讓 MCU 更長時間的處于低功耗模式。

二Tickless Idle Mode原理及實現

1. 情景分析

FreeRTOS各任務情況：

上圖是任務調度示意圖，橫軸是時間軸， T1， T2， T3， T4 是 RTOS 的時間片基準，有四個任務分別是 TaskA，B，C，D。

Task A：周期性任務

Task B：周期性任務

Task C：突發性任務

Task D：周期性任務

從圖中可以看出在四個任務進行調度之間，會有四次空閑期間（此時 RTOS 會調度 Idle 任務運行， 軟件設計的目標應該是盡可能使 MCU 在 Idle 任務運行時處于低功耗模式） 。

Idle1： Idle 任務運行期間，會產生一次系統時鐘滴答，此時會喚醒 MCU，喚醒后 MCU 又會進入低功耗模式， 這次喚醒是無意義的。期望使 MCU 在 Idle1 期間一直處于低功耗模式， 因此適當調整系統定時器中斷使得 T1 時不觸發系統時鐘中斷， 中斷觸發點設置為 Task B 到來時；

Idle2：Task C 在系統滴答到達前喚醒 MCU（外部事件） ， MCU 可以在 Idle2 中可以一直處于低功耗模式；

Idle3： 與 Idle2 情況相同，但 Idle3 時間很短，如果這個時間很短，那么進入低功耗模式的意義并不大，因此在進入低功耗模式時軟件應該添加策略；

Idle4： 與 Idle1 情況相同。

2. Tickless Idle Mode 的軟件設計原理

Tickless Idle Mode 的設計思想在于盡可能得在 MCU 空閑時使其進入低功耗模式。從上述情景中可以看出軟件設計需要解決的問題有：

a. 合理的進入低功耗模式（避免頻繁使 MCU 在低功耗模式和運行模式下進行不必要的切換） ;

RTOS 的系統時鐘源于硬件的某個周期性定時器（Cortex-M 系列內核多數采用 SysTick） ，RTOS 的任務調度器可以預期到下一個周期性任務（或者定時器任務） 的觸發時間，如上文所述，調整系統時鐘定時器中斷觸發時間，可以避免 RTOS 進入不必要的時間中斷，從而更長的時間停留在低功耗模式中，此時 RTOS 的時鐘不再是周期的而是動態的（在原有的時鐘基準時將不再產生中斷，即 Tickless） ；

b. 當 MCU 被喚醒時，通過某種方式提供為系統時鐘提供補償。

MCU 可能被兩種情況所喚醒， 動態調整過的系統時鐘中斷或者突發性的外部事件，無論是哪一種情況，都可以通過運行在低功耗模式下的某種定時器來計算出 MCU 處于低功耗模式下的時間，在 MCU 喚醒后對系統時間進行軟件補償；

c. 軟件實現時，要根據具體的應用情景和 MCU 低功耗特性來處理問題。

尤其是 MCU 的低功耗特性， 不同 MCU 處于不同的低功耗模式下所能使用的外設（主要是定時器） 是不同的， RTOS 的系統時鐘可以進行適當的調整。

3. Tickless Idle Mode 的實現

這里以 STM32F407 系列的 MCU 為例， 首先需要明確的是 MCU 的低功耗模式， F407 有 3 種低功耗模式：Sleep、Stop、 Standby。

在 RTOS 平臺時， SRAM 和寄存器的數據不應丟失， 此外需要一個定時器為 RTOS 提供系統時鐘， 這里選擇 Sleep 模式下進行實現。 使能Tickless Idle：

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

RTOS空閑任務（空閑時自動調用）實現：

/* Idle 任務 */void prvIdleTask（ void *pvParameters ）{ for（ ; ; ） { //。。.#if（configUSE_TICKLESS_IDLE ！= 0） { TickType_t xExpectedIdleTime; /* 用戶策略以決定是否需要進入 Tickless Mode */ xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime（）; if（ xExpectedIdleTime 》= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ） { vTaskSuspendAll（）;

// 掛起調度器 { configASSERT（ xNextTaskUnblockTime 》= xTickCount ）; xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime（）; if（ xExpectedIdleTime 》= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ） { /* 用戶函數接口 */ /* 1. 進入低功耗模式和如何退出低功耗模式 */ /* 2. 系統時間補償 */ portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP（ xExpectedIdleTime ）; } } （void） xTaskResumeAll（）; // 恢復調度器 } }#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */ //。。。 }}

然后，低功耗模式處理（根據 MCU 的低功耗模式編寫代碼， 代碼有點長……）

void vPortSuppressTicksAndSleep（ portTickType xExpectedIdleTime ）{ unsigned long ulReloadValue， ulCompleteTickPeriods， ulCompletedSysTickDecrements; portTickType xModifiableIdleTime; /*

最長睡眠時間不可以超過定時器的最大定時值 */ /* 通過調整定時器的時間基準可以獲得更理想的最大定時值 */ if（ xExpectedIdleTime 》 xMaximumPossibleSuppressedTicks ） { xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks; } /* 停止 SysTick */ portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT; /*

計算喚醒時的系統時間，用于喚醒后的系統時間補償 */ ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG + （ ulTimerCountsForOneTick * （ xExpectedIdleTime - 1UL ） ）; if（ ulReloadValue 》 ulStoppedTimerCompensation ） { ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation; } __disable_interrupt（）; /*

確認下是否可以進入低功耗模式 */ if（ eTaskConfirmSleepModeStatus（） == eAbortSleep ） { /* 不可以，重新啟動系統定時器 */ 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 { /

* 可以進入低功耗模式 */ /* 保存時間補償，重啟系統定時器 */ 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; /* 進入低功耗模式，可以通過 configPRE_SLEEP_PROCESSING 函數進行低功耗模式下 時鐘及外設的配置*/ 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（）; /

*喚醒有兩種情況：系統定時器或者外部事件（中斷） */ if（（portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT） ！= 0） { /* 系統定時器喚醒，時間補償 */ 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（中斷）喚醒 */ ulCompletedSysTickDecrements = （ xExpectedIdleTime * ulTimerCountsForOneTick ） - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG; ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements / ulTimerCountsForOneTick;portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = （ （ ulCompleteTickPeriods + 1 ） * ulTimerCountsForOneTick ） - ulCompletedSysTickDecrements; }

/* 重啟 Systick，調整系統定時器中斷為正常值 */ 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（）; }}

三、最后

低功耗的設計存在很多影響功耗的因素，比如電路設計、IO引腳配置等。

MCU實現低功耗的方法和種類有很多，設計時需要注意一些低功耗細節問題。

最后，以上方法僅供學習參考，具體請按照實際項目選擇合理的低功耗設計方案。

編輯：jq