1. 图形应用和低功耗
8 @* O% e1 r( u9 |: X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。
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。
2. 低功耗实现原理介绍
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。

- {: L. J2 X; A% n& S. u2.1. Tickless Idle
FreeRTOS 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。
; D  Q$ t2 E! n" x& i( n5 \
  O- z+ m- ?" S, b5 W- a( R0 p( b" r
3 K4 u# v$ r4 V, r- u
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。
* u7 R/ J( W: @# g
2.2. TouchGFX 渲染与进 LPSLEEP 限制
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。
% b6 e2 }! A5 L; R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。

5 T8 Y8 K! U# U3. 实现过程
- T( ^( b, p( l8 |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：


$ J2 D: L( I) x+ ?6 w

1. void vPortSetupTimerInterrupt( void )
   # u: E3 u3 h4 u3 `
2. {
   # L6 `$ \- ?* R9 @6 O
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 );
   9 _- Z! I4 t2 k/ S- w
7. xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
   
8. ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ /
   0 K1 \1 z6 C5 I2 b% T9 C" C3 o
9. configSYSTICK_CLOCK_HZ );
   
10. }
      D2 Y1 A, U$ E! I
11. #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    
12. /* Stop and clear the SysTick. */
    / ^- f5 U2 M; }$ j6 X; Z
13. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
    4 K/ n% u! _( ]$ Q1 d/ \0 `' H/ T
14. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    / K- Y1 O# @: W3 S9 F
15. /* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
    
16. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    $ {+ N/ o; N$ ]2 Q8 z) ?8 s! t
17. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    7 f/ s  ?, s3 P3 X  d4 b, W
18. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
    
19. }

复制代码

# o2 l. h' P3 f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：
a) 触摸事件产生：nosleep_flg
b) DMA2D busy 状态：isDMAbusy_a()
6 ~- k5 _) T# i4 a/ jc) DSI refreshing 状态：displayRefreshing
d) 渲染完成，请求 DSI 刷新：refreshRequested

1. void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
   8 D( s6 J; V: E" k' t
2. {
   
3. uint32_t xMaximumPossibleSuppressedTicks,ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,ulCount;
   
4. xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ;
   
5. if(nosleep_flg || isDMAbusy_a() || displayRefreshing || refreshRequested) {
   
6. if(!isDMAbusy_a() && !displayRefreshing && !refreshRequested) {
   
7. if(osKernelSysTick() > nosleep_flg_t0 + nosleep_time)
   & b. l+ e- _% @
8. nosleep_flg = 0;
   
9. }
   ) p" S1 A) u: f- K6 M* ]
10. return;
    
11. }
    
12. if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks ) {
    6 B# K0 m2 o7 n  H7 j
13. xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    1 S, X0 I" S% v0 c
14. }
    
15. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    , T) [" R8 e- F
16. HAL_SuspendTick();
    . |2 h% ~; n/ `3 w
17. ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
    , l' _  s/ B8 J* o; T# n, M
18. __DSB();
    
19. __ISB();
    / P" K: W# ~: q# V9 h0 ?% m* b7 p
20. LPTIM_ReloadMatch_flag=pdFALSE;
    9 }) l+ T' x* {! a) `
21. if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep ) {
    
22. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
23. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    + K) x! l& x- w3 p6 N0 F; L
24. HAL_ResumeTick();
    
25. } else {
    
26. MX_LPTIM1_Init(LPTIM_PRESCALER_DIV2, ulReloadValue);
    
27. if( xExpectedIdleTime > 0 ) {
    
28. __DSB();
    
29. enter_lpsleep();
    
30. __ISB();
    
31. }
    - w- c1 \5 {2 {9 w: @1 R
32. ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&Lptim1);
      m0 D4 G$ f. o- u+ j+ e
33. HAL_LPTIM_TimeOut_Stop_IT(&Lptim1);
    " d& o, H& M9 z9 W4 P3 ?
34. HAL_ResumeTick();
    ; `6 H" |! z" M
35. if( LPTIM_ReloadMatch_flag != pdFALSE ) {
    1 e" D% w. l/ ]5 t, i+ t
36. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
      w& s& u/ g6 ^
37. } else {
    
38. ulCompleteTickPeriods = (ulCount * configTICK_RATE_HZ)/ lptim_CLOCK_HZ;
    . T  Z" U6 L+ W8 J$ B; c& g! G$ X* M
39. }
    - z3 a7 Q: f. B! |' D. L9 r! e4 P; Q
40. portENTER_CRITICAL();
    
41. uwTick += ulCompleteTickPeriods;
    + D, a6 D" A& y9 M2 i
42. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    
43. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    " q) F6 b. m( k" m! I
44. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    1 A3 o: q) Y, z" u6 K
45. portEXIT_CRITICAL();
    
46. }
    
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：

1. extern "C" uint8_t isDMAbusy_a()
   
2. {
   9 ?/ c, {. a8 a
3. return ((TouchGFXHAL*)(touchgfx::HAL::getInstance()))->isDMAbusy();
   
4. }
   4 d, d, u. c1 Q8 s+ P& q8 ~, c
5. uint8_t TouchGFXHAL::isDMAbusy()
   
6. {
   / O  W" _) s+ [& s$ a
7. bool dma_qe = dma.isDmaQueueEmpty();
   
8. bool dma_run = dma.isDMARunning();
   : l$ X& P# C! i* L7 O
9. return (uint8_t)(!dma_qe || dma_run);
   0 Y% ?5 @: d1 S* p. U4 a( c
10. }

复制代码

完整版请查看：附件
$ W& o' P: A( W1 Y& c5 x 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

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