1. 图形应用和低功耗
, \" \" I, M6 P2 T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。
6 b$ k3 V, p, h* E( `, K6 ^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 w( `5 U1 W% ], Z) n- n2. 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。
+ F% `; U6 h5 _
2.1. Tickless Idle
FreeRTOS 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。
. ^, m% L" @* |9 D, S8 p& d  A8 ^


9 ?& Q4 O6 S, K$ W  {5 QFreeRTOS 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。

2.2. 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。
, @7 x, M3 ~" {: o5 y3 Z7 S: J7 D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。
% {7 Z. @' y& |2 W  s) b4 A; u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。

, j  U: h8 N5 v" p. \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：
7 v  H' T- [7 I9 V! ?
+ I) C/ @% }6 o4 h+ f3 [- ]* V

1. void vPortSetupTimerInterrupt( void )
   - W% A4 o  n- F) H3 D/ @' J( a
2. {
   
3. /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
   
4. #if( configUSE_TICKLESS_IDLE == 2 )
   
5. {
   ; t9 e( I4 n) ^; ~4 |9 E: B( y
6. ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
   
7. xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
   ' q' k5 J: p: O" k* D7 C) G
8. ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ /
   ( r0 a) @* X( e4 G, t1 J) S" O2 }
9. configSYSTICK_CLOCK_HZ );
   
10. }
    
11. #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
    
12. /* Stop and clear the SysTick. */
    ! e; u! r- J- J* j% [  |! s+ I) B( m
13. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
    
14. portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
    
15. /* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
    + t. Y& t1 q1 e+ U
16. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    
17. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
    3 ?7 l, O8 C% d: C# v
18. portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
    + q+ f9 w% r4 d5 f
19. }

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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：
6 J; O" j& D1 ~' e! i# [% h" y0 la) 触摸事件产生：nosleep_flg
b) DMA2D busy 状态：isDMAbusy_a()
; d- ~& V; f! q( oc) DSI refreshing 状态：displayRefreshing
d) 渲染完成，请求 DSI 刷新：refreshRequested

1. void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
   
2. {
   % _$ p' Y4 R$ E- _( d7 B
3. uint32_t xMaximumPossibleSuppressedTicks,ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,ulCount;
   " L9 S( [8 g) y
4. xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ;
   
5. if(nosleep_flg || isDMAbusy_a() || displayRefreshing || refreshRequested) {
   
6. if(!isDMAbusy_a() && !displayRefreshing && !refreshRequested) {
   
7. if(osKernelSysTick() > nosleep_flg_t0 + nosleep_time)
   
8. nosleep_flg = 0;
   ; H0 r/ ^: Z9 B
9. }
     A" r" \" A( _  e7 g0 P/ w6 h/ O
10. return;
    4 l7 _! R9 f# b0 s8 W
11. }
    
12. if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks ) {
    % p) z4 T5 F* Z, K6 Z: a" }8 b
13. xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    7 `$ ^9 c6 U7 |
14. }
    
15. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    3 K" Y/ n- ~5 |1 `0 l" S0 n
16. HAL_SuspendTick();
    
17. ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
    
18. __DSB();
    + B. s' B, \1 R( V6 V9 A: G4 L
19. __ISB();
    * N) x1 b- X& P
20. LPTIM_ReloadMatch_flag=pdFALSE;
    
21. if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep ) {
    3 q) G* M2 y5 y1 D( H- m- G% Y
22. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    ) l* ~( Z4 W! g
23. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    
24. HAL_ResumeTick();
    & I: n4 k1 W( G$ y( q
25. } else {
    0 B8 |# R, C/ ?* @: g% v$ k
26. MX_LPTIM1_Init(LPTIM_PRESCALER_DIV2, ulReloadValue);
    
27. if( xExpectedIdleTime > 0 ) {
    4 T# b; G2 F+ x. g6 S- z1 }
28. __DSB();
    
29. enter_lpsleep();
    0 O' U  I4 J' b6 D' e+ u. w5 `
30. __ISB();
    0 }+ v# o% n" @' p6 {
31. }
    
32. ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&Lptim1);
    
33. HAL_LPTIM_TimeOut_Stop_IT(&Lptim1);
    
34. HAL_ResumeTick();
    
35. if( LPTIM_ReloadMatch_flag != pdFALSE ) {
    
36. ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
    
37. } else {
    - }9 A1 ]: D/ q( @
38. ulCompleteTickPeriods = (ulCount * configTICK_RATE_HZ)/ lptim_CLOCK_HZ;
    6 [* y4 P( }) P% v
39. }
    
40. portENTER_CRITICAL();
    
41. uwTick += ulCompleteTickPeriods;
    * o+ P* @8 T2 C7 i: A, n  }
42. vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );
    
43. portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
    
44. portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
    2 K8 J, `1 Z' M' \/ [+ B( n
45. portEXIT_CRITICAL();
    
46. }
    
47. }

复制代码

3 z8 q, c6 X; \+ A& R; l  {. @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：
4 P+ H- E% y5 s' v9 A. s. J1 N' ^, q* b3 m

1. extern "C" uint8_t isDMAbusy_a()
   
2. {
   
3. return ((TouchGFXHAL*)(touchgfx::HAL::getInstance()))->isDMAbusy();
   
4. }
   
5. uint8_t TouchGFXHAL::isDMAbusy()
   
6. {
   0 P/ ^& N) C  j. n/ v. w
7. bool dma_qe = dma.isDmaQueueEmpty();
   , }( h  ^8 L( ?+ I/ t& O  G
8. bool dma_run = dma.isDMARunning();
   
9. return (uint8_t)(!dma_qe || dma_run);
   
10. }

复制代码

9 a; }' ?2 c0 W) e
完整版请查看：附件
. j5 o6 a. P: I6 O8 X& y 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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# J8 O( R6 Z, ]4 y( J9 i1 i

低功耗确实是非常需要考虑的一个点

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