一. 前言
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，
7 c9 B# e+ P( s1 v一般的低功耗设计思路如下：
) _) |2 P# z4 z. g1. 当 Idle 任务运行时，进入低功耗模式；
2. 在适当的条件下，通过中断或者外部事件唤醒 MCU。
   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。
9 h) s: u: _1 s! h* Y: E   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。
% ]0 }' C+ M  C3 S. f   二．Tickless Idle Mode 的原理及实现
/ x) _2 `& D9 {7 s. i; Q- N* U( p1. 情景分析
3 N/ [2 x* X. h! S& F2 L' Q
+ N7 L1 \: [1 x+ |: ]$ m  T5 K8 j
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
: Y' U6 `. a$ Z! t* W* S6 Z   Task B: 周期性任务
5 F& h) x: P2 U% F   Task C: 突发性任务
   Task D: 周期性任务
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）。
Idle1: 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；
Idle3: 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。
2. Tickless Idle Mode 的软件设计原理
  F" l6 ~; L% [, U$ W3 S- pTickless 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：
0 @  Z5 _6 d, ]+ Q" C" m% f   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. 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；
1 f1 Y) ]# R, r! |! g   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。
0 Y$ X4 ^$ ]( d' T1 w" v! i5 x3. 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。
& N+ S! t. q2 n3 t

. x; e" T8 ^+ p/ Y: s
/ i  {: G5 ~- \" T- M. e" N使能

1.    #define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

复制代码

空闲任务（RTOS 空闲时自动调用）
. S( N  _# S7 n3 T" J8 ?% K

1.    /* Idle 任务 */
   . G8 |: I" K# m
2.    void prvIdleTask( void *pvParameters )
   
3.    {
   3 ]9 V" P, @# z# f) Z5 D
4.    for( ; ; )
   " H2 @8 ^! T) D# f
5.    {
   3 i+ p5 C( j9 C" Z! _* E) [2 W$ z
6.    ...
   / o# m9 r* H, B
7.    #if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 )
   ! a# b* r! s8 k' j0 |3 _
8.    {
   
9.    TickType_t xExpectedIdleTime;
   
10.    /* 用户策略以决定是否需要进入 Tickless Mode */
    . T1 U' x: u0 Z: U! y
11.    xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
    
12.    if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
    7 u, g/ g3 k2 F6 O
13.    {
    
14.    vTaskSuspendAll(); // 挂起调度器
    
15.    {
    
16.    configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
    
17.    xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
    & {8 L- [  u/ \% t3 h* |
18.    if( xExpectedIdleTime >=
    & U8 e# l8 x& Y" C, q7 ]$ a! }. z
19.    configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
    
20.    {
    % O2 C; Q$ d/ @6 i$ F" Z
21.    /* 用户函数接口 */
    
22.    /* 1. 进入低功耗模式和如何退出低功耗模式 */
    
23.    /* 2. 系统时间补偿 */
    4 P, J+ l4 w% ?- ]
24.    portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
    * Q) G3 F' {! \" R7 R
25.    }
    ( B" V2 F' [3 \4 ]$ K  T/ @$ a
26.    }
    : o. B! f  c5 p9 j4 f5 g& z: }
27.    (void) xTaskResumeAll(); // 恢复调度器
    
28.    }
    ) o  e4 T2 l* ?0 R
29.    }
    # W4 @3 f$ _) R8 u. d; Z3 G
30.    #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    
31.    ...
    
32.    }
    9 D6 S4 @8 U+ V4 y
33.    }

复制代码

+ D2 u% V4 F4 s0 X; p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,
   . h8 a, _3 b5 u- T; g* R7 Z
4.    ulCompletedSysTickDecrements;
   : ~+ t" p- Y* b8 b' f4 D- s2 d
5.    portTickType xModifiableIdleTime;
   3 v9 U  B1 |9 Q2 x. g7 n( ~
6.    /* 最长睡眠时间不可以超过定时器的最大定时值 */
   / y% V4 x& v: t; Y( T
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 */
   
8.    if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
   
9.    {
   8 _$ Q" D% {/ |9 F9 a0 d$ F7 y
10.    xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    3 ]& N) T; u2 r" M; {% j3 r
11.    }
    
12.    /* 停止 SysTick */
    " i0 w. N9 C3 }- E( c! p2 z
13.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
14.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
    
15.    /* 计算唤醒时的系统时间，用于唤醒后的系统时间补偿 */
    8 Y  U6 h+ @0 a$ y  b- t' y0 A
16.    ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG +
    / Y$ H# m0 Y& }) C6 D$ j
17.    ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) );
    
18.    if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
    9 J0 T: ?' V1 T# E9 Q
19.    {
    & P& h5 ?$ b( |$ [* j( ^9 N
20.    ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
    ! J6 g: u3 F+ }  ?1 O* B# P0 E
21.    }
    $ k; O/ p5 G& P. F2 Z4 h! `9 R
22.    __disable_interrupt();
    
23.    /* 确认下是否可以进入低功耗模式 */
    + J$ G* t0 K2 ]/ n
24.    if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
    
25.    {
    
26.    /* 不可以，重新启动系统定时器 */
    4 e' }- e$ y9 G* u. U% @' `
27.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
    & N3 v  _5 Y' \& l
28.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
29.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    ) F. K) P* j9 s' y
30.    portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
31.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    
32.    __enable_interrupt();
    * k& y( K3 c. g
33.    }
    
34.    else
    3 H% [0 U- w) }( h
35.    {
    ( t1 a5 j( C+ ]
36.    /* 可以进入低功耗模式 */
    . U" u0 Q+ ~; o8 o3 Y+ R
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;
    
40.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
41.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    4 Q& Y% d* W2 M4 Q: v8 @7 E
42.    portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
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
    : i/ C0 D$ z: G" d% [' }0 m
44.    时钟及外设的配置*/
    
45.    xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
    
46.    configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );
    ! A! U. B0 n" w# G6 ?# {: A
47.    if( xModifiableIdleTime > 0 )
    
48.    {
    / H: v0 E) ?/ q& ^/ D: Z
49.    __DSB();
    ; f  x6 n+ W0 O! M1 G9 p
50.    __WFI();
    
51.    __ISB();
    3 \1 S8 m3 ?) t% i
52.    }
    
53.    /* 退出低功耗模式 */
    $ N/ l* J* `- V: x, Z0 K9 d4 @) K
54.    configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
    
55.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
56.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
    # t% v  J. n6 p- ?; |2 _
57.    __disable_interrupt()
    7 `( l7 X" S% a
58.    __enable_interrupt();
    + z' D3 Y' G6 d2 r( d! |9 x& h+ x
59.    /*唤醒有两种情况：系统定时器或者外部事件（中断）*/
    
60.    if((portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT) != 0)
    
61.    {
    
62.    /* 系统定时器唤醒，时间补偿 */
    
63.    unsigned long ulCalculatedLoadValue;
    3 o3 D# s2 U/ S
64.    ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) –
    
65.    ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );
    
66.    if( ( ulCalculatedLoadValue  ulTimerCountsForOneTick ) )
    
67.    {
    
68.    ulCalculatedLoadValue = (ulTimerCountsForOneTick - 1UL);
    
69.    }
    
70.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue;
    . B! W" {$ l, f$ b
71.    ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    8 X8 Q+ @/ k& ]- r
72.    }
    
73.    else
    : q/ Z8 e' ^/ |8 E! W+ ]$ f
74.    {
    
75. 
    ' \  C+ W4 E; f
76. /* 外部事件（中断）唤醒 */
    + H1 |; t6 C: k) z6 H
77. ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime *
    # c6 ^. R* V: I0 m7 Z
78. ulTimerCountsForOneTick ) - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
    
79. ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements /
    1 s. I2 F+ H+ v
80. ulTimerCountsForOneTick;
    
81. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1 ) *
    
82. ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements;
    
83. }
    
84. /* 重启 Systick，调整系统定时器中断为正常值 */
    ( j4 Q+ K; [1 T4 v2 w$ T& O9 h
85. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    . s" p9 r( {& O' s% u1 ]
86. portENTER_CRITICAL();
    
87. {
    
88. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
89. portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    6 _. t# ?# k7 r4 U# J' l7 ]& ?$ x
90. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
91. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    
92. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    
93. }
    3 E0 y; c  G5 ]& z  V
94. portEXIT_CRITICAL();
    
95. }
    3 p6 T( N" w' M4 `: m/ H
96. }

复制代码

6 s# l+ m$ C8 x/ s4. 写在最后的话
( v4 D7 v) w# W- sSTM32 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）。

1 W& D* k6 v+ f1 g; x! M