Freertos低功耗-Tickless模式

此篇文章在2023年5月15日被记录

很多嵌入式设备都对功耗有严格的控制，特别是消费电子对功耗的控制更为严格，Tickless是freertos中的一个可选模块，主要实现低功耗功能

STM32类芯片的低功耗模式

STM32之类的arm芯片通常有三种低功耗模式:

• 睡眠模式(sleep)：仅CPU 时钟关闭，其他所有外设时钟比如数字的TMR以及模拟的ADC时钟无影响。注意所有外设时钟都没有被关闭，因此外设还能工作，如果Sleep模式需要进一步降低功耗，那可以在进入之前关闭无用外设时钟，退出时再开启
• 停止模式(stop)：1.2V供电区域的的所有时钟（包括CPU及普通外设）都被停止，SysTick除外，PLL、HSI和HSE RC振荡器的功能被禁止，SRAM和寄存器内容被保留下来。注意外设时钟只是被停止，此时之前被拉高的GPIO还会保持
• 待机模式(standby)：1.2V供电区域被断电，PLL、HSI和HSE振荡器也被断电，SRAM和寄存器内容丢失，只有备份的寄存器和待机电路维持供电。注意大多数外设被断电，其中用于唤醒的外设除外

目前手里使用的AT32三种模式分别为：睡眠模式，深度睡眠模式，待机模式。在深度睡眠模式下不能保持IO状态

Tickless模式

Freertos代码在正常运行中时，各个任务会在不断调度，Tickless的设计思想是在IDLE任务中进入低功耗模式，但是又存在很多MCU中断可能会导致无法进入深度睡眠，这种情况是不合理的，FreeRTOS中设计的低功耗模式------Tickless Idle Mode，可以让MCU更长时间的处于低功耗模式

Tickless Idle Mode的设计思想在于尽可能的在MCU空闲时使其进入低功耗模式，因此需要解决以下问题：

• 合理的进入低功耗模式，避免频繁使MCU在低功耗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（Cotex-M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（或定时器任务）的触发时间，从而调整系统时钟定时器中断触发时间，以避免RTOS进入不必要的时间中断，从而更长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可能被动态调整过的系统时钟中断或突发性的外部事件所唤醒，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，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模式实现

• configUSE_TICKLESS_IDLE
  要想使用Tickless模式，必须将FreeRTOSConfig.h中的如下宏置1；FreeRTOS只提供了个别的硬件平台模式，STM32采用模式1即可，如果采用其他模式，配置为2

#define configUSE_TICKLESS_IDLE		1	//启用低功耗Tickless模式

• portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP
  使能了Tickless模式后，当空闲任务是唯一可运行的任务（其他任务都处于阻塞或挂起态）以及系统处于低功耗模式的时间大于configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP个时钟节拍时，FreeRTOS内核就会调用宏portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP来处理低功耗相关的工作

#ifndef portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP		\
extern void vPortSuppressTicksAndSleep(TickType_t  xExpectedIdleTime );
#define portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime ) 	\
vPortSuppressTicksAndSleep( xExpectedIdleTime )
#endif
//参数 xExpectedIdleTime 表示处理器将要在低功耗模式运行的时长

函数 vPortSuppressTicksAndSleep 是实际的低功耗执行代码，本来需要用户自己实现，但是大部分平台，FreeRTOS已经帮我们实现了

• configPRE_SLEEP_PROCESSING() 和 configPOST_SLEEP_PROCESSING()
  在低功耗设计中不仅是将处理器设置到低功耗模式就行了，有时还需要做一些其他处理，比如将处理器降低到合适的频率、修改时钟源（切换到内部时钟源）、关闭外设时钟以及关闭其他功能模块电源等,弱符号函数PreSleepProcessing和PostSleepProcessing需要用户自已根据需要编写

#if configUSE_TICKLESS_IDLE == 1 
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING   PreSleepProcessing//进入低功耗前要处理的事情
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING  PostSleepProcessing//退出低功耗后要处理的事情
#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE == 1 */

• configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP
  处理器工作在低功耗模式的时间没有任何限制，可以等于1个时钟节拍，但是时间太短的话就没有意义，比如1个时钟节拍，刚进入低功耗模式就要退出低功耗模式。因此需要对工作在低功耗模式的时间加一个限制，宏configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP就是用来完成此功能的,默认情况下此宏设置为2个时钟节拍，且最小不能小于2个时钟节拍

#ifndef configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP
	#define configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP	2
#endif
#if configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP < 2
	#error configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP must not be less than 2
#endif

Freertos的心跳是由实际业务决定的，因此最小休眠时钟数量也需要根据自己的业务裁定