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，
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；
$ q3 |0 J! |+ A( E7 [2. 在适当的条件下，通过中断或者外部事件唤醒 MCU。
( p1 L- t1 C2 }   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。
3 w; ]+ a6 t  r   二．Tickless Idle Mode 的原理及实现
1 [" g- i1 d% b: F* x( ]1. 情景分析
. @" K9 Z: o( Q# @

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
   Task C: 突发性任务
   Task D: 周期性任务
: v" L6 _* [# l* K' _8 [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；
- y2 n' R8 u) j- T$ k* ^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。
% b/ N4 M- M8 o( T  m( n2. Tickless Idle Mode 的软件设计原理
* ^% Z5 F1 U  N( f3 e' e  DTickless 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：
- X5 d) [8 N4 M# E* Q( P* `. i6 w' o" K   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；
   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。
) H  |( e9 ~# Q% F1 p5 v5 Z3. 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# a2 R0 d  f5 E
" w" L6 E& h% K

* D7 {: X2 w. Y使能

1.    #define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

复制代码

: f( T7 g9 N" _  f( G1 Z/ O  ]- k8 i空闲任务（RTOS 空闲时自动调用）

1.    /* Idle 任务 */
   8 @9 S/ r! p% U2 k& c* a: F2 H
2.    void prvIdleTask( void *pvParameters )
   
3.    {
   
4.    for( ; ; )
   
5.    {
   9 k2 e+ P, R1 |, m2 E
6.    ...
   
7.    #if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 )
   % k0 H$ r- S5 {- D! ^3 k- N. `2 B
8.    {
   
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 )
    
13.    {
    1 `7 ~' A6 w7 C7 m8 M/ y- V
14.    vTaskSuspendAll(); // 挂起调度器
    
15.    {
    & l( f: Q; K+ O
16.    configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
    
17.    xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
    1 g3 l: I$ N0 D. x
18.    if( xExpectedIdleTime >=
    
19.    configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
    
20.    {
    ' w! t% C8 l. \% n+ u; E/ |2 p
21.    /* 用户函数接口 */
    0 V: s8 `  e7 O# v/ \: `
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 */
    
24.    portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
    " h8 v9 r' B) @* h, Y
25.    }
    
26.    }
    5 ^) }, |3 }) z4 X
27.    (void) xTaskResumeAll(); // 恢复调度器
    ! y- U$ V9 M6 W4 Z2 a+ k; C
28.    }
    ; P+ |: f# u8 @
29.    }
    " O$ R5 }2 l' S! e
30.    #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    
31.    ...
    
32.    }
    
33.    }

复制代码

% r" o9 z/ M$ `. g) D0 y' t. d$ F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.    {
   8 ^% ^+ z  v. ^/ G
3.    unsigned long ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,
   4 p* M+ U: H) Z* d8 t; s( K
4.    ulCompletedSysTickDecrements;
   
5.    portTickType xModifiableIdleTime;
   
6.    /* 最长睡眠时间不可以超过定时器的最大定时值 */
     C) l, Q7 u1 ^+ z& n$ H
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.    {
   
10.    xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    ( Q: N1 q5 ?* e, e8 U3 r8 r
11.    }
    ! G7 L7 j# p( f8 e7 g+ @1 _* @# Y
12.    /* 停止 SysTick */
    * U) z% S( _9 z
13.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    & G: @1 d9 X* X
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 */
    
16.    ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG +
    
17.    ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) );
    : j9 d" F; M  N0 |
18.    if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
    ! F$ b& H; q$ z' T" D2 L$ x; C
19.    {
    
20.    ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
    
21.    }
    
22.    __disable_interrupt();
    
23.    /* 确认下是否可以进入低功耗模式 */
    ' @4 i, r3 `: Y% f0 }
24.    if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
    
25.    {
    
26.    /* 不可以，重新启动系统定时器 */
    
27.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
    
28.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
29.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    
30.    portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    6 L- O9 O6 ~8 M: u% k
31.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    $ q" c% F5 x$ e
32.    __enable_interrupt();
    
33.    }
    
34.    else
    
35.    {
    3 U) F2 a' g1 C, f# ]
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;
    4 P3 f% J0 j1 h5 b) i% m
39.    portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    
40.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
41.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    
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
    
44.    时钟及外设的配置*/
    
45.    xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
    ' [2 e: [& M& y' A" b3 ^% _
46.    configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );
    3 j, [7 S: L6 }+ `, B( w8 D
47.    if( xModifiableIdleTime > 0 )
    1 t& ~9 C: Y# G5 W
48.    {
    ' R! ^+ P$ q4 J5 X& H4 l
49.    __DSB();
    
50.    __WFI();
    ) r( T1 Q% h/ T* f; f3 ?
51.    __ISB();
    : e5 F& K  s: i5 r1 P: }" N
52.    }
    1 M" a" e0 q- E5 b: g3 q, E
53.    /* 退出低功耗模式 */
    # b" I* ~7 z5 A
54.    configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
    " o0 U& y& [* ~; |* i  i5 B8 X
55.    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
56.    portNVIC_SYSTICK_INT_BIT;
    
57.    __disable_interrupt()
    
58.    __enable_interrupt();
    
59.    /*唤醒有两种情况：系统定时器或者外部事件（中断）*/
    / A) W- b! b: c& C# y" W+ }' |0 r
60.    if((portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT) != 0)
    
61.    {
    - ]4 [% P% h, E! U* Y  A8 J
62.    /* 系统定时器唤醒，时间补偿 */
    ( Y7 ~, J8 G3 s; I+ y
63.    unsigned long ulCalculatedLoadValue;
    
64.    ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL ) –
    1 p+ w6 W+ {. `: v# K) A, f' A
65.    ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );
    7 C/ I# Q/ H( T2 {) V1 {- v
66.    if( ( ulCalculatedLoadValue  ulTimerCountsForOneTick ) )
    
67.    {
    
68.    ulCalculatedLoadValue = (ulTimerCountsForOneTick - 1UL);
    
69.    }
    
70.    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue;
    7 _+ w- H. ^. c5 Y0 o  B$ E% \3 u
71.    ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    " a3 r2 l9 z- h7 u6 ?5 k3 [
72.    }
    
73.    else
    4 }; p$ Y- o. G1 K, E
74.    {
    
75. 
    
76. /* 外部事件（中断）唤醒 */
    
77. ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime *
    
78. ulTimerCountsForOneTick ) - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
    ) s+ N; R9 Y9 Y3 q/ T3 t9 C: {5 y
79. ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements /
    
80. ulTimerCountsForOneTick;
    
81. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( ( ulCompleteTickPeriods + 1 ) *
    . W4 L* B2 P/ K# I% R, D
82. ulTimerCountsForOneTick ) - ulCompletedSysTickDecrements;
    
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;
    # w- ^3 v5 t4 G
86. portENTER_CRITICAL();
    
87. {
    
88. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
    
89. portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    
90. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
91. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    1 J8 D* p0 x- W' N1 g7 B. n( w
92. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
    1 A* r4 l5 f9 l! \
93. }
    7 o6 Z3 I# B+ F! t2 P  h
94. portEXIT_CRITICAL();
    
95. }
    
96. }

复制代码

; `5 x4 P3 j2 N. ^5 N4 ^4. 写在最后的话
3 v$ y5 g5 I% h( q  gSTM32 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）。
, W+ U, d1 ~" M' y
( r/ X# O! N6 `