一. 前言
  ~& g7 ?2 n4 t+ J8 l目前，越来越多的嵌入式产品在开发中使用 RTOS 作为软件平台，同时，开发中对低功耗的要求也越来越高，这篇文档会讨论一下如何在 RTOS 中处理微控制器的低功耗特性。应用中使用的 RTOS 一般采用基于时间片轮转的抢占式任务调度机制，
一般的低功耗设计思路如下：
1. 当 Idle 任务运行时，进入低功耗模式；
( L1 q/ ?% D$ a0 [. ?, V8 I! b+ E2. 在适当的条件下，通过中断或者外部事件唤醒 MCU。
- h# E8 ^' m  v5 G9 E   但是，从第二点可以看出，每次当 OS 系统定时器产生中断时，也会将 MCU 从低功耗模式中唤醒，而频繁的进入低功耗模式/从低功耗模式中唤醒会使得 MCU 无法进入深度睡眠，对低功耗设计而言也是不合理的。
   在 FreeRTOS 中给出了一种低功耗设计模式 ——Tickless Idle Mode，这个方法可以让 MCU 更长时间的处于低功耗模式。
   二．Tickless Idle Mode 的原理及实现
; x# y2 Q7 }" D* L' W1. 情景分析
8 v. O% j( I  D
3 l5 |) y  ^! n
上图是任务调度示意图，横轴是时间轴，T1，T2，T3，T4 是 RTOS 的时间片基准，有四个任务分别是 TaskA,B,C,D，
   Task A: 周期性任务
   Task B: 周期性任务
. `7 N! P+ X" l% Z" f: v   Task C: 突发性任务
, O  r  f+ m/ }* o1 v   Task D: 周期性任务
. R6 m; B% I4 K! e3 P& s从图中可以看出在四个任务进行调度之间，会有四次空闲期间（此时 RTOS 会调度 Idle 任务运行，软件设计的目标应该是尽可能使 MCU 在 Idle 任务运行时处于低功耗模式）。
8 D; Z! r( i! QIdle1: Idle 任务运行期间，会产生一次系统时钟滴答，此时会唤醒 MCU，唤醒后 MCU 又会进入低功耗模式，这次唤醒是无意义的。期望使 MCU 在 Idle1 期间一直处于低功耗模式，因此适当调整系统定时器中断使得 T1 时不触发系统时钟中断，中断触发点设置为 Task B 到来时；
Idle2：Task C 在系统滴答到达前唤醒 MCU（外部事件），MCU 可以在 Idle2 中可以一直处于低功耗模式；
' {; T; Q4 E  Y1 @9 N7 }$ EIdle3: 与 Idle2 情况相同，但 Idle3 时间很短，如果这个时间很短，那么进入低功耗模式的意义并不大，因此在进入低功耗模式时软件应该添加策略；
Idle4: 与 Idle1 情况相同。
- [+ ]" I/ W, N) O. F2. Tickless Idle Mode 的软件设计原理
, d6 N" A, e# R; y: K' WTickless Idle Mode 的设计思想在于尽可能得在 MCU 空闲时使其进入低功耗模式。从上述情景中可以看出软件设计需要解决的问题有：
7 E1 }0 S* n& R. _3 ^: W1 ~   a. 合理的进入低功耗模式（避免频繁使 MCU 在低功耗模式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（Cortex-M 系列内核多数采用 SysTick），RTOS 的任务调度器可以预期到下一个周期性任务（或者定时器任务）的触发时间，如上文所述，调整系统时钟定时器中断触发时间，可以避免 RTOS 进入不必要的时间中断，从而更长的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）；
: ^, B+ Q0 V3 S' k% I; m   b. 当 MCU 被唤醒时，通过某种方式提供为系统时钟提供补偿。MCU 可能被两种情况所唤醒，动态调整过的系统时钟中断或者突发性的外部事件，无论是哪一种情况，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；
+ P9 Q1 `! w8 `9 e1 \8 `0 W   c. 软件实现时，要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。
3. Tickless Idle Mode 的实现
   这里以 STM32F407 系列的 MCU 为例，首先需要明确的是 MCU 的低功耗模式，F407 有 3 种低功耗模式，Sleep, Stop, Standby，在 RTOS 平台时，SRAM 和寄存器的数据不应丢失，此外需要一个定时器为 RTOS 提供系统时钟，这里选择 Sleep 模式下进行实现。
  c& g1 M- ~8 s! u/ I

0 p9 |8 ^" `2 r; k5 {. `( [$ u
使能

1.    #define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

复制代码

空闲任务（RTOS 空闲时自动调用）

1.    /* Idle 任务 */
   $ L( `- u% s8 z' v- l
2.    void prvIdleTask( void *pvParameters )
   6 P# k$ M' ^5 q" _; Y/ U2 C
3.    {
   5 q8 T8 s4 X% L
4.    for( ; ; )
   
5.    {
   
6.    ...
   0 p" }) {; R* M9 H
7.    #if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 )
   ' `- c, o, W) a5 ]6 W& W: @
8.    {
   7 q8 R8 E; j1 M7 y
9.    TickType_t xExpectedIdleTime;
   
10.    /* 用户策略以决定是否需要进入 Tickless Mode */
    
11.    xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
    
12.    if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
    4 |4 d1 x1 G% I- L: G; A% J
13.    {
    
14.    vTaskSuspendAll(); // 挂起调度器
    ) [; I/ v# Y  G, y- z% h) J
15.    {
    
16.    configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
    & N! V0 m- |! _' ^- w) V0 X
17.    xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
    9 p7 O3 m8 x& i2 Z' w
18.    if( xExpectedIdleTime >=
    
19.    configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
    
20.    {
    9 O6 }" e. p6 u8 g) T% T
21.    /* 用户函数接口 */
    , x3 A2 W  C" ^  a
22.    /* 1. 进入低功耗模式和如何退出低功耗模式 */
    2 @" Y2 d0 e0 d7 N7 l, W
23.    /* 2. 系统时间补偿 */
    ( Y0 [  M! c# x
24.    portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
    
25.    }
    
26.    }
    
27.    (void) xTaskResumeAll(); // 恢复调度器
    1 J8 r5 q: t! L0 L* ^# j% w/ i1 n
28.    }
    
29.    }
    + T& G. O5 b2 B  \! I& M* K
30.    #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    " A$ G$ b$ i. p& Z: R# l$ \4 g
31.    ...
    
32.    }
    0 ?( p/ L; Z; v& ~; l
33.    }

复制代码

低功耗模式处理（根据 MCU 的低功耗模式编写代码，代码有点长……）

1.    void vPortSuppressTicksAndSleep( portTickType xExpectedIdleTime )
   
2.    {
   
3.    unsigned long ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,
   
4.    ulCompletedSysTickDecrements;
   
5.    portTickType xModifiableIdleTime;
   * X$ s/ O. K3 a% n+ W. g
6.    /* 最长睡眠时间不可以超过定时器的最大定时值 */
   
7.    /* 通过调整定时器的时间基准可以获得更理想的最大定时值 */
   ' m" @6 v9 y5 V( Y0 z. j
8.    if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
   8 v8 h& c# d( J, D1 h
9.    {
   
10.    xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    - @6 Y* ?: [$ D
11.    }
    
12.    /* 停止 SysTick */
    8 [0 ?1 |0 V( C0 I- q5 n
13.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    2 B: D& p6 {7 R0 x2 h$ D
14.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
    0 c% b. z3 q6 b  ?5 D3 r
15.    /* 计算唤醒时的系统时间，用于唤醒后的系统时间补偿 */
    
16.    ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG +
    ! f6 J, c" l3 m* n* s8 T! s
17.    ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) );
    
18.    if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
    
19.    {
    6 S* R4 I* X" Z' Y. C. ?  l" L  ?
20.    ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
    : P* a- K1 N! K- r! V9 K
21.    }
    
22.    __disable_interrupt();
    
23.    /* 确认下是否可以进入低功耗模式 */
    5 \% s5 A  a$ s6 [, E7 R* c5 G
24.    if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
    
25.    {
    
26.    /* 不可以，重新启动系统定时器 */
    8 B# T0 H( {! l$ m, i9 ?- d2 R, t
27.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
    
28.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    " _( A. g' i0 \' |! f7 X: h7 W* |
29.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    
30.    portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    - \& E: J9 k! d3 N
31.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    & N" x( w3 |7 _. x8 [3 J5 J7 J  w
32.    __enable_interrupt();
    
33.    }
    
34.    else
    6 W7 K; y/ \  t5 y- y# |
35.    {
    
36.    /* 可以进入低功耗模式 */
    
37.    /* 保存时间补偿，重启系统定时器 */
    
38.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulReloadValue;
    
39.    portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    & `, Q5 a% P. ^* Q# {
40.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    1 i4 F, H1 d- M
41.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    
42.    portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    9 ?% F" U) E$ n
43.    /* 进入低功耗模式，可以通过 configPRE_SLEEP_PROCESSING 函数进行低功耗模式下
      N& ~' ^( z) c+ S1 j
44.    时钟及外设的配置*/
    % F: {1 d! b( R7 a% R
45.    xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
    
46.    configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );
    ( x. l' d6 {) ?
47.    if( xModifiableIdleTime > 0 )
    + U) N4 W7 H9 ]5 I& p& h+ I7 R
48.    {
    
49.    __DSB();
    0 l5 t1 O: I0 c) s" p* K
50.    __WFI();
    
51.    __ISB();
    8 T# ~# ^7 a2 h1 o$ Y
52.    }
    % b! w" v% _. |, B
53.    /* 退出低功耗模式 */
    
54.    configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
    ; g5 h. B  e+ u/ x
55.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    & X1 y; j7 |# U& c6 w9 y
56.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
    
57.    __disable_interrupt()
    
58.    __enable_interrupt();
    ( ]7 `5 A5 z8 R) C
59.    /*唤醒有两种情况：系统定时器或者外部事件（中断）*/
    7 ]/ I* [) u+ z. h# F' f4 |
60.    if((portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT) != 0)
    ! {/ |& l& s$ n# o
61.    {
    0 K6 i, s3 }) @6 C
62.    /* 系统定时器唤醒，时间补偿 */
    6 g( u2 T$ a, a2 z4 A( e
63.    unsigned long ulCalculatedLoadValue;
    # _; o% e: n% J
64.    ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) –
    5 h! ?7 e% w5 K$ Z- s8 Z) ]6 f
65.    ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );
    " _9 h0 z2 H' w3 w, B. @( s, }
66.    if( ( ulCalculatedLoadValue  ulTimerCountsForOneTick ) )
    
67.    {
      k5 i! |2 ]; H* Z5 K+ n, T; U
68.    ulCalculatedLoadValue = (ulTimerCountsForOneTick - 1UL);
    6 k( A' z& F/ H8 K
69.    }
    # U+ Y; I1 s7 f' X- K, ~
70.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue;
    
71.    ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    * e1 E1 R. N) S5 U9 x& G) z
72.    }
    
73.    else
    % ]9 c$ H' v0 g
74.    {
    & X" V* p& q- q# m0 W
75. 
    5 c, s' w  h/ l- O1 Q& k" p2 L
76. /* 外部事件（中断）唤醒 */
    2 s2 b5 l) X" _" _" B, _+ z% F
77. ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime *
    
78. ulTimerCountsForOneTick ) - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
    
79. ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements /
    2 \5 A" _7 r! O  F- j# P3 ~
80. ulTimerCountsForOneTick;
    
81. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1 ) *
    * n! m* R* i4 x" u
82. ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements;
    2 d, D- k" H. [1 {" Q' M8 b5 l# ?
83. }
    
84. /* 重启 Systick，调整系统定时器中断为正常值 */
    
85. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    
86. portENTER_CRITICAL();
    : E7 s) P' V( e
87. {
    
88. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    " s, Q  Z6 p8 s' V$ K7 p
89. portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    $ u6 _8 f, Q3 N+ W. K+ U. K- l% B
90. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
91. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    
92. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    7 o# Y1 Q- W9 {3 a  c/ I  v2 E: G
93. }
    . A8 j# Z7 l- V) X- R
94. portEXIT_CRITICAL();
    
95. }
    
96. }

复制代码

& n3 v" H6 |9 q( O/ t, T4. 写在最后的话
# x. P/ a+ J. [5 ]" w, FSTM32 家族中拥有不同的系列，特别是专为低功耗应用设计的 L 系列，为其设计 RTOS 低功耗特性实现时可以有更多的实现方式（例，某种模式下内核停止运行，此时可以使用外部定时器或者 RTC 来代替 Systick 作为系统定时器）。