1. 图形应用和低功耗
3 y4 k' {5 A' D/ z8 t7 O/ G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
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。

  `0 S% c6 {# a2.1. Tickless Idle
- s5 I% ^! n' U* F' C+ RFreeRTOS 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。

' {2 e: r5 Q; H; A# Z7 z

7 ~( H8 Q! V* h* 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。

5 k% R6 R" d1 A" N4 l2 U: n7 j9 j2.2. TouchGFX 渲染与进 LPSLEEP 限制
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，
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。
* h8 h+ M& n# ~7 \
3. 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：

1. void vPortSetupTimerInterrupt( void )
   2 y" R, F* i# Z; a8 j, H
2. {
   * o+ j  K/ v" e* r" u8 X
3. /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
   
4. #if( configUSE_TICKLESS_IDLE == 2 )
   ( a8 q) X: {+ S. J" S  T
5. {
   
6. ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
     w" |( ~3 b, V& O5 `4 p2 c$ h
7. xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
   
8. ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ /
   
9. configSYSTICK_CLOCK_HZ );
   
10. }
    
11. #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    5 ]' P9 ?5 `" t; q2 S; S, D* m0 {6 V
12. /* Stop and clear the SysTick. */
    , v, L/ F) P% T9 j% T5 I0 |
13. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
    3 L# c( J5 N" g
14. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    / W' Z$ _+ c: X9 g
15. /* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
    
16. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    3 ?! `. l7 w% E( m, P  K/ q
17. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    4 M. G, H% l% f
18. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
    
19. }

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4 u5 s7 [, q5 b. a; Q: a
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：
0 l  ~1 b2 N# T% i, Xa) 触摸事件产生：nosleep_flg
b) DMA2D busy 状态：isDMAbusy_a()
2 m* O6 U/ y" U$ Y% E, L: ?8 Lc) DSI refreshing 状态：displayRefreshing
d) 渲染完成，请求 DSI 刷新：refreshRequested
' N  [2 y( R4 c" Z; X$ S0 ~

1. void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
   
2. {
   
3. uint32_t xMaximumPossibleSuppressedTicks,ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,ulCount;
   ) T) a9 `' K& I7 ?3 g
4. xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ;
   
5. if(nosleep_flg || isDMAbusy_a() || displayRefreshing || refreshRequested) {
   % Y6 G, x* l$ d, e( d# a6 M; z
6. if(!isDMAbusy_a() && !displayRefreshing && !refreshRequested) {
   
7. if(osKernelSysTick() > nosleep_flg_t0 + nosleep_time)
   
8. nosleep_flg = 0;
   / Y2 b( }3 g6 j
9. }
   
10. return;
    
11. }
    ; h5 ?- h/ ~& s# Q5 y
12. if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks ) {
    
13. xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    6 O3 p/ A( Y9 a3 P* p  P
14. }
    # [) ], y  y* a: W; Z
15. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
16. HAL_SuspendTick();
    
17. ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
    8 t3 x- j8 O1 \- H
18. __DSB();
    5 R& @: H+ v( x/ c8 @4 W) h) u
19. __ISB();
    
20. LPTIM_ReloadMatch_flag=pdFALSE;
    0 m4 a, G& x- S8 G0 n6 B
21. if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep ) {
    % j5 L; v% C7 i, M7 Z
22. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
23. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    
24. HAL_ResumeTick();
    
25. } else {
    
26. MX_LPTIM1_Init(LPTIM_PRESCALER_DIV2, ulReloadValue);
    + w: K4 t7 b9 a9 y
27. if( xExpectedIdleTime > 0 ) {
    
28. __DSB();
    ! D  a# x" w- U2 d; }+ i
29. enter_lpsleep();
    
30. __ISB();
    ) L: Q0 t# Z7 F6 c
31. }
    8 S2 A" a# H/ U$ t" A, J3 }
32. ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&Lptim1);
    
33. HAL_LPTIM_TimeOut_Stop_IT(&Lptim1);
    + x5 \$ ?0 Z) S  ]
34. HAL_ResumeTick();
    0 l- O& f; g0 s- J
35. if( LPTIM_ReloadMatch_flag != pdFALSE ) {
    
36. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    
37. } else {
    , E2 |6 W2 O! w5 A1 C# a/ C
38. ulCompleteTickPeriods = (ulCount * configTICK_RATE_HZ)/ lptim_CLOCK_HZ;
    7 B5 ~- e! o5 o7 X3 t1 Q( v
39. }
    
40. portENTER_CRITICAL();
    2 f# U, O: E! _8 K8 ?
41. uwTick += ulCompleteTickPeriods;
    
42. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    , n# {1 H: v8 G. n+ z
43. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    6 E! O$ q, w) K9 s! I
44. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    
45. portEXIT_CRITICAL();
    
46. }
    
47. }

复制代码

$ V0 k  T) \! B9 _0 ~. o( K6 xTouchGFX 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：
( k4 ~3 l  }1 A5 n$ v5 v

1. extern "C" uint8_t isDMAbusy_a()
   
2. {
   
3. return ((TouchGFXHAL*)(touchgfx::HAL::getInstance()))->isDMAbusy();
   
4. }
   
5. uint8_t TouchGFXHAL::isDMAbusy()
   * a2 j! }/ R, {* r2 V
6. {
   $ i- v( U" m7 a' _# K& C# `0 |3 U! P
7. bool dma_qe = dma.isDmaQueueEmpty();
   
8. bool dma_run = dma.isDMARunning();
   
9. return (uint8_t)(!dma_qe || dma_run);
   0 C/ e6 L; p: @; a
10. }

复制代码

4 L1 K2 P# T0 I& m- {' a: F 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

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( K( u; P$ m$ {7 }/ N. _) D

低功耗确实是非常需要考虑的一个点

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