1. 图形应用和低功耗
5 C4 f7 H6 \/ b5 v% c: T) b, E随着智能设备的普及，越来越多的设备会用到图形界面，而在 STM32 MCU 上使用TouchGFX，使得图形设计变得非常简单。其中智能手表、智能手环等产品对功耗要求比较高，这就需要在图形应用同时，结合芯片的低功耗模式来优化能耗。
+ B4 X* M8 R+ H/ ]! G9 z. @. ]2 y* B在图形应用中使用低功耗，一般分为两种场景，一种是在关闭屏幕时，MCU 进入 STOP 模式，能极大的降低 MCU 功耗；另一种是在屏幕亮着的状态，MCU 进入 SLEEP 模式，也能降低MCU 功耗。而在 STM32L4+芯片上，LPSLEEP 模式相比 SLEEP 模式功耗更低，本文将在STM32L4R9 芯片上，结合 TouchGFX 和 LPSLEEP 来介绍如何在亮屏状态下实现 MCU 低功耗。
+ h" X& v* T: ?5 h2. 低功耗实现原理介绍
) P3 Z# S! w* I; t3 u2 n在使用 TouchGFX 做图形应用时，会使用到 FreeRTOS 操作系统，使用 SysTick 定时产生 1ms的中断来作为系统 tick。在所有应用任务空闲时，系统会调度 Idle 任务。此时我们能让 MCU 进入低功耗，从而达到降低 MCU 功耗的目的。

" O6 Y+ K3 }5 D; L; H9 r2.1. Tickless Idle
8 S' e! a4 T! u# e  fFreeRTOS 提供了 Tickless Idle 配置，在 FreeRTOSConfig.h 文件中，通过配置configUSE_TICKLESS_IDLE 为不同的值来配置 FreeRTOS 是否在 Idle 任务里进入低功耗，默认为 0 表示不进入低功耗。本文中将配置为 2，自定义 Idle 任务中低功耗实现。



FreeRTOS 中进入低功耗具体是由 vPortSuppressTicksAndSleep 函数实现。配置configUSE_TICKLESS_IDLE 为 2 时，还需要重写 vPortSetupTimerInterrupt 函数。

2.2. TouchGFX 渲染与进 LPSLEEP 限制
. q8 L: K4 g' n" C根据参考手册描述，在进入 LPSLEEP 时要先切换到 LPRUN 模式，系统时钟要降低到2MHz，因此在进入、退出 LPSLEEP 时会有时钟的切换过程。
在屏幕亮着的状态时，用户可能随时触摸屏幕，或者系统信息可能更新，因此屏幕显示的内容可能随时变化，如果此时 MCU 进入 LPSLEEP 状态，会导致系统响应不及时。另外，在屏幕内容更新时，L4R9 通过 DSI 向屏幕更新显示数据，此过程由硬件完成，在此过程中，软件也有可能会进入 LPSLEEP，这样系统时钟发生变化，会导致 DSI 更新显示数据异常，产生屏幕显示花屏的问题。
为了避免以上问题，在进入 LPSLEEP 前会检查当前状态，如果用户未操作屏幕，
TouchGFX 已经完成渲染，DSI 刷新过程也完成，则允许系统进入 LPSLEEP 状态。这样既保证了系统正常工作，又达到了降低功耗的目的。

3. 实现过程
# I! [$ P, p) p0 N) t重写 vPortSetupTimerInterrupt 函数，主要是设置与休眠时间补偿相关的变量，初始化 systick 寄存器：

1. void vPortSetupTimerInterrupt( void )
   7 r1 v' [6 M# U7 K( x8 J# K
2. {
   
3. /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
   
4. #if( configUSE_TICKLESS_IDLE == 2 )
   
5. {
   
6. ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
   8 Q' t' _, \5 I% Y; N! h* }
7. xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
   
8. ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ /
   7 `' @& V* ^% A. V0 @7 X
9. configSYSTICK_CLOCK_HZ );
   
10. }
    
11. #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    
12. /* Stop and clear the SysTick. */
    % l0 }+ n: W: U7 e) W
13. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
    9 c& a9 v, s5 g
14. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    2 N8 Z5 \$ e% d; [5 |
15. /* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
    
16. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    1 F% w& q2 r' S; ~7 _  v
17. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    " m0 L3 x* }8 T1 P9 v9 h; Q. G
18. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
    
19. }

复制代码

3 f: \0 e; j, U+ s1 R4 ?
, @/ k( q0 U& C9 u重写 vPortSuppressTicksAndSleep 函数。在进入 LPSLEEP 前，会停止 systick，在休眠完成后，需要补偿系统 tick 值，示例中使用 LPTIM 计时来补偿系统 tick 值。在进入 LPSLEEP 前先进行状态检查，只要有以下情况，都不进入低功耗模式：
$ q! `) B, m; z$ X$ qa) 触摸事件产生：nosleep_flg
b) DMA2D busy 状态：isDMAbusy_a()
9 r: R/ ~- c2 J8 n1 q7 Kc) DSI refreshing 状态：displayRefreshing
: ]: V+ ~& V( B9 L& Nd) 渲染完成，请求 DSI 刷新：refreshRequested

1. void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
   
2. {
   4 K/ Q) x, n' Y8 M3 R  o
3. uint32_t xMaximumPossibleSuppressedTicks,ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,ulCount;
   
4. xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ;
   ! J! ^: N  W1 c
5. if(nosleep_flg || isDMAbusy_a() || displayRefreshing || refreshRequested) {
   % B7 I3 q  m* v) Z8 z, ~" T  r
6. if(!isDMAbusy_a() && !displayRefreshing && !refreshRequested) {
   
7. if(osKernelSysTick() > nosleep_flg_t0 + nosleep_time)
   . M& U, S  R2 o; U: h3 p
8. nosleep_flg = 0;
   
9. }
   8 Z% i$ B0 v! K+ e! w0 h; |
10. return;
    
11. }
    
12. if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks ) {
    
13. xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    3 G- `7 L+ M( ?, `9 |3 l4 s
14. }
    
15. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
16. HAL_SuspendTick();
    
17. ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
    
18. __DSB();
    2 @. b, B4 X6 b0 j
19. __ISB();
    
20. LPTIM_ReloadMatch_flag=pdFALSE;
    
21. if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep ) {
    6 S. T4 h+ M" X9 y2 ^' ?" H+ R
22. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
      ^' y3 u( R( H* y7 e
23. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    & l( G" C: D. }) B2 j
24. HAL_ResumeTick();
    ! j$ O' D0 J# `- [3 i
25. } else {
    
26. MX_LPTIM1_Init(LPTIM_PRESCALER_DIV2, ulReloadValue);
    ) a% j2 T  w$ h) t# M3 e/ j
27. if( xExpectedIdleTime > 0 ) {
    
28. __DSB();
    
29. enter_lpsleep();
    
30. __ISB();
    9 S, H# z& D; ?9 H: U2 z/ t! H
31. }
    ) q' |# I, a* y6 R4 T
32. ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&Lptim1);
    
33. HAL_LPTIM_TimeOut_Stop_IT(&Lptim1);
    
34. HAL_ResumeTick();
    " E5 U, O- Y4 Z1 d+ J3 x! L
35. if( LPTIM_ReloadMatch_flag != pdFALSE ) {
    
36. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    
37. } else {
    - G- l. U; D; H0 m
38. ulCompleteTickPeriods = (ulCount * configTICK_RATE_HZ)/ lptim_CLOCK_HZ;
    ) w0 U# a$ H6 w& W7 u8 z
39. }
    
40. portENTER_CRITICAL();
    : d0 O2 Q) ~( O0 H; t% A$ y0 f3 @
41. uwTick += ulCompleteTickPeriods;
    - v4 X; e: z( p2 r! T$ W* h. m
42. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    , A: X3 A, Q7 i- C( A
43. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    + x) E8 ~& I' {
44. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    
45. portEXIT_CRITICAL();
    
46. }
    . a5 d, N" G5 E1 E7 Q9 B# c
47. }

复制代码

TouchGFX 渲染过程包括两部分，CPU 渲染和 DMA2D 渲染。在 CPU 渲染过程中，TouchGFX任务处于执行状态，系统不会主动调度 Idle 任务。而在 DMA2D 渲染过 TouchGFX 会让出CPU，此时可能会切换到 Idle 任务执行，因此需要对 DMA2D 是否正在渲染进行判断。对DMA2D 是否在渲染的判断如下：
' q+ p  d" z% d1 f) b# I6 E8 Z4 H3 V

1. extern "C" uint8_t isDMAbusy_a()
   * w, f2 K* X$ Q! B: ]
2. {
   6 P# e! L7 w2 V4 [
3. return ((TouchGFXHAL*)(touchgfx::HAL::getInstance()))->isDMAbusy();
   
4. }
   
5. uint8_t TouchGFXHAL::isDMAbusy()
   
6. {
   
7. bool dma_qe = dma.isDmaQueueEmpty();
   
8. bool dma_run = dma.isDMARunning();
   
9. return (uint8_t)(!dma_qe || dma_run);
   
10. }

复制代码

+ k2 q9 k: n$ b
& v7 L* |' ?" _& Q; w; S 完整版请查看：附件
TouchGFX图形应用在亮屏时的低功耗实现.pdf (255.25 KB, 下载次数: 4)

2023-6-18 11:06 上传

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低功耗确实是非常需要考虑的一个点

感谢分享！