1. 图形应用和低功耗
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。
/ _! O4 z. m  w: y$ H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。
: d4 M  z8 c* X4 n8 a2. 低功耗实现原理介绍
  R' c  J# W  m# i  @  q' R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。
( o% m% O1 `' w, u" Q
+ _( C3 J. x5 s: X3 e: \8 W2.1. Tickless Idle
. d1 ~8 E: F* o+ R3 P( WFreeRTOS 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。
; C1 a& b+ G8 k& e% `% _# _


. Z( o' E' j6 J# u' m, CFreeRTOS 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。
+ k3 S! W1 R4 W+ \4 t" j# ?0 d  T
1 u- e: r* R! A/ H( b2.2. TouchGFX 渲染与进 LPSLEEP 限制
4 Z" x  b4 Q$ `- t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，
5 S: y: i4 q0 d  M3 CTouchGFX 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。
6 ^! T& p0 H) @4 L# _1 m+ J4 C
1 `3 X. N9 L5 r+ g# g3. 实现过程
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：
6 V4 q5 s  `$ E" @  s0 c
8 [1 `+ ], R$ R. k5 t) d
7 Q( Y7 I* E0 G% e% j7 Z

1. void vPortSetupTimerInterrupt( void )
   
2. {
   & d4 `4 |7 ~* u, r, u4 \& [/ J
3. /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
   9 s- ^- H0 ~0 U" B1 s
4. #if( configUSE_TICKLESS_IDLE == 2 )
   
5. {
   # ?$ B; u3 X+ H
6. ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
   % Q1 r- V$ Z' v3 o4 r) R
7. xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
   
8. ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ /
   
9. configSYSTICK_CLOCK_HZ );
   4 [* u, b7 }7 V6 ^
10. }
    * Y8 m; C/ F! p2 j# L$ V/ p+ x7 X
11. #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    
12. /* Stop and clear the SysTick. */
    
13. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
    ! m7 E$ j3 a# {0 F4 R% {6 D, e0 z
14. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    
15. /* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
    
16. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    ! Y; H7 w, [& B1 ~' d  J+ r: Q# W
17. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    3 x. |. g: c) [, `9 Q  ]" \
18. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
    % q( y; S* |/ H. t3 A
19. }

复制代码

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()
c) DSI refreshing 状态：displayRefreshing
, l- X. m# U' I9 T5 L) x2 ^0 ^d) 渲染完成，请求 DSI 刷新：refreshRequested

1. void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
   
2. {
   
3. uint32_t xMaximumPossibleSuppressedTicks,ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,ulCount;
   1 ]0 g/ {# Z5 G: |4 O+ \
4. xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ;
   # }4 `1 B( p6 Q/ |: o
5. if(nosleep_flg || isDMAbusy_a() || displayRefreshing || refreshRequested) {
   
6. if(!isDMAbusy_a() && !displayRefreshing && !refreshRequested) {
   ; T5 ~7 e  C* g7 f
7. if(osKernelSysTick() > nosleep_flg_t0 + nosleep_time)
   
8. nosleep_flg = 0;
   
9. }
   $ [' ?, m1 ~0 B
10. return;
    ( B+ W$ ^  l, s  i1 e
11. }
    & ~- O8 @, N' C& Y, R7 Y- `5 y
12. if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks ) {
    # O5 m! K7 d: d/ c: ?1 i
13. xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    
14. }
    
15. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    # g1 S3 G% i2 P/ l
16. HAL_SuspendTick();
    
17. ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
    9 t! r. w3 u8 L1 K9 ~
18. __DSB();
    : i; v% Y" m+ d
19. __ISB();
    
20. LPTIM_ReloadMatch_flag=pdFALSE;
    / N/ o' i# g( U3 E& G
21. if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep ) {
    8 g% i& F+ g2 I
22. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    " s8 O. ~  X) r& y) R" A
23. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    " k. C: y$ z4 G7 x& M
24. HAL_ResumeTick();
    
25. } else {
    2 S, a8 [7 A0 y% e5 R! u
26. MX_LPTIM1_Init(LPTIM_PRESCALER_DIV2, ulReloadValue);
    
27. if( xExpectedIdleTime > 0 ) {
    ( V' w4 G2 X2 B6 ?' m( W
28. __DSB();
    
29. enter_lpsleep();
    
30. __ISB();
    
31. }
    
32. ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&Lptim1);
    
33. HAL_LPTIM_TimeOut_Stop_IT(&Lptim1);
    2 P) t1 i( o( k
34. HAL_ResumeTick();
    
35. if( LPTIM_ReloadMatch_flag != pdFALSE ) {
    ( f3 i8 }! u; E7 Y& K0 f3 L# L) H$ s. P
36. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    2 V0 Y2 U9 i% D, x4 A( J- ?7 |
37. } else {
    ; f( B) N4 w: E+ ?& R
38. ulCompleteTickPeriods = (ulCount * configTICK_RATE_HZ)/ lptim_CLOCK_HZ;
    
39. }
    $ m- [) y; E& ~% X3 H( `" O
40. portENTER_CRITICAL();
    
41. uwTick += ulCompleteTickPeriods;
    & d! h8 q3 u/ p/ {
42. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    4 r4 H/ D$ \6 ]
43. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
44. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    
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：
% b$ ]( o; K1 V& S; q

1. extern "C" uint8_t isDMAbusy_a()
   * M1 Z" |) s+ x: E9 `
2. {
   
3. return ((TouchGFXHAL*)(touchgfx::HAL::getInstance()))->isDMAbusy();
   
4. }
   
5. uint8_t TouchGFXHAL::isDMAbusy()
   
6. {
   5 ]) n3 A& ?/ M; ~* p1 c
7. bool dma_qe = dma.isDmaQueueEmpty();
   
8. bool dma_run = dma.isDMARunning();
   - {! L; x5 i" h) {0 \* z5 p
9. return (uint8_t)(!dma_qe || dma_run);
   . _! {. _; N+ ?" _+ e
10. }

复制代码

9 O) H6 U: R( E5 w; n
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

点击文件名下载附件
% k" ~3 t4 L4 U/ r- X8 r! q7 u

低功耗确实是非常需要考虑的一个点

感谢分享！