1. 图形应用和低功耗
( K7 r3 V. k( \' C$ A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
4 E& z2 q; ?* F& S7 q+ v* E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。

2.1. Tickless Idle
4 O% w. o9 H9 Y: SFreeRTOS 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。
1 h1 c3 u3 S2 w2 `, E
" u5 J2 r' o! T3 F2 Z4 r5 T$ X  C" I2.2. TouchGFX 渲染与进 LPSLEEP 限制
: ?# X' i! n/ Z( m5 x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。
  j1 k+ v- Q0 G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。
/ W3 ^( b2 F5 j& m4 b  |
3. 实现过程
7 g8 g7 F; J6 [2 L2 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：
4 y6 U0 B# @6 {  B1 C7 Y
0 s; \4 j$ X+ u5 {
2 \1 z3 [: Q: V1 y# C

1. void vPortSetupTimerInterrupt( void )
   
2. {
   
3. /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
   ) G9 F% \9 j0 Q7 \  a5 w
4. #if( configUSE_TICKLESS_IDLE == 2 )
   / k/ j$ \9 Y5 |, x0 |: A/ k: X
5. {
   ' k9 w  n+ n' v+ G4 ~& ]' M
6. ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
   + |, R9 `) c; S1 d- b
7. xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
   
8. ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ /
   . B! f4 K) ]& R6 ^; L! ^
9. configSYSTICK_CLOCK_HZ );
   
10. }
    
11. #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    : P& z( }; c0 `8 f* d
12. /* Stop and clear the SysTick. */
    
13. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
    1 d8 X( K: \$ ~: I/ b4 b. x
14. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    
15. /* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
    5 g7 ~" _1 Z' x) x# H' k( p
16. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    
17. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    
18. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
    4 z/ _4 Y) v/ u% p; {
19. }

复制代码

7 j' E4 m. M' {+ G9 D
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：
% m; {, l: `% T/ u$ K  Ha) 触摸事件产生：nosleep_flg
, C8 |- x7 W6 a# B+ t' }2 rb) DMA2D busy 状态：isDMAbusy_a()
c) DSI refreshing 状态：displayRefreshing
d) 渲染完成，请求 DSI 刷新：refreshRequested
! G% j& J# S: t4 Q: {( ]- W$ M

1. void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
   
2. {
   " F9 X4 k, C# p: k! |  t. H3 ?
3. uint32_t xMaximumPossibleSuppressedTicks,ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,ulCount;
   9 y9 p5 H6 y9 A9 A
4. xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ;
   $ U/ o* r9 h! ]" D
5. if(nosleep_flg || isDMAbusy_a() || displayRefreshing || refreshRequested) {
   
6. if(!isDMAbusy_a() && !displayRefreshing && !refreshRequested) {
   6 \7 t, {. a0 n& W$ d
7. if(osKernelSysTick() > nosleep_flg_t0 + nosleep_time)
   / n: N) j8 P: P: F
8. nosleep_flg = 0;
   
9. }
   . ~9 X2 G, q& B% K6 M
10. return;
    ! b& t$ {, y, |2 z4 R% O2 W7 I
11. }
      P. y/ Q8 Z4 Z; O( t  ~9 X
12. if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks ) {
    5 S9 z* k8 U( G  R9 {, z
13. xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    
14. }
    
15. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    8 U  p6 S8 ^7 [7 k$ A  z4 c% y
16. HAL_SuspendTick();
    9 B% [: S, T& K/ W
17. ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
    
18. __DSB();
    2 b7 S* A! V. r8 m. J; U. q
19. __ISB();
    
20. LPTIM_ReloadMatch_flag=pdFALSE;
    1 ?& [! H/ S3 u  P, W3 s/ G3 e% N5 Z
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;
    
24. HAL_ResumeTick();
    6 R- R$ M$ m# ?/ d& E  G5 x. C
25. } else {
    
26. MX_LPTIM1_Init(LPTIM_PRESCALER_DIV2, ulReloadValue);
    0 N$ [. n  @/ d% ?( N' a1 f* d
27. if( xExpectedIdleTime > 0 ) {
    ! J3 }8 i$ Q2 p( x  i
28. __DSB();
    $ g1 \3 F8 d/ J0 F* q+ S4 Q
29. enter_lpsleep();
    0 Y4 b- D0 `7 a; v5 i. y; U
30. __ISB();
    
31. }
    
32. ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&Lptim1);
    
33. HAL_LPTIM_TimeOut_Stop_IT(&Lptim1);
    
34. HAL_ResumeTick();
    
35. if( LPTIM_ReloadMatch_flag != pdFALSE ) {
    
36. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
      @0 F( C' R& f: R
37. } else {
    
38. ulCompleteTickPeriods = (ulCount * configTICK_RATE_HZ)/ lptim_CLOCK_HZ;
    
39. }
    
40. portENTER_CRITICAL();
    4 \: Z+ Y3 p6 B# a4 n
41. uwTick += ulCompleteTickPeriods;
    
42. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    
43. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    % @2 v7 e3 G$ A  P: Q# h' D! P
44. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    
45. portEXIT_CRITICAL();
    6 p* l& _4 v8 q2 l) ]
46. }
    * I, F% r) _, Y! S/ F
47. }

复制代码

) T8 W1 [! E3 aTouchGFX 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：
! N$ P( b! j( V5 B5 R2 y$ W

1. extern "C" uint8_t isDMAbusy_a()
   * F6 e* A. A  V$ a$ B
2. {
   1 i' i) c# ~6 R1 n- x. N
3. return ((TouchGFXHAL*)(touchgfx::HAL::getInstance()))->isDMAbusy();
   
4. }
   ) h9 A3 Z& M0 T; w4 Z; w+ S" X
5. uint8_t TouchGFXHAL::isDMAbusy()
   
6. {
   + Y" x1 G+ k% v/ _, w3 O, B) z; P* F
7. bool dma_qe = dma.isDmaQueueEmpty();
   ) h4 H$ E  F# l
8. bool dma_run = dma.isDMARunning();
   8 N# P- ~( V  j+ b  Z+ ~7 Y
9. return (uint8_t)(!dma_qe || dma_run);
   3 n5 {, P& l! n$ W
10. }

复制代码

; d+ Q$ F7 H5 v! n% ~* l
完整版请查看：附件
; E' Z: e5 {0 {4 k3 ? 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

点击文件名下载附件

低功耗确实是非常需要考虑的一个点

感谢分享！