基于STM32F429的freeRTOS的低功耗学习

zhoulei88

基于STM32F429的freeRTOS的低功耗学习 [复制链接]

最近在研究freeRTOS的低功耗特性，平台是STM32F429控制器，低功耗是现在电子消费类产品的一大要求，尤其是对手机，手环这类便携类产品，大家如果对这方面感兴趣可以交流一下，废话少说，直接上菜一、先从F429的低功耗模式说起
1、F4的三种模式：
   F4系列的控制器有三种低功耗状态，分别是休眠状态、stop状态以及standby状态
   休眠状态：内核（包括MPU）停止工作，外设（定时器、时钟等）仍然在工作，退出睡眠模式后程序从停止处继续执行，该模式类似于人在睡觉，大脑已经停止思考，但心脏脉搏仍在跳动
   stop状态：内核包括1.2V区域的所有时钟停止运作，PLLs, HSI 和HSE RC oscillators被失能，计数器和寄存器的内容不变，并且在该模式下电压和内部FLASH也可以通过软件事先的配置进入低功耗模式，当内部flash进入低功耗模式时，那么在退出该模式后也会有相应的启动延时，故对实时性要求高的系统对是否试FLASH进入低功耗模式应慎重，退出该模式后程序从停止处开始执行，
sdandby状态：功耗最低状态，在STOP状态的基础上，电压调节器失能，除backup区域，SRAM以及寄存器的值全部丢失，故退出该状态后，系统类似于复位

2、F4如何进入睡眠模式和stop模式以及如何退出
   关于这个问题一张表格就可很清晰的说明，如下：

硬件部分就说这么多吧，想要详细的了解朋友就要去看数据手册了

二、freeRTOS的低功耗原理

一句话概括就是实时改变滴答时钟的中断频率
我们知道，操作系统都有一个滴答时钟，以一定的频率产生定时器中断，freeRTOS使用systick时钟产生滴答时钟，在操作系统的运行过程中，大部分时间可能在运行空闲任务，也就是这个时候无事可干，那么如果我们能在无事可干的时间让系统进入睡眠或者停止模式，那么系统的功耗是不是就会降下去呢，答案是肯定的，那么我们每次进入空闲任务之后就让系统休眠，直至产生滴答时钟中断被唤醒，在中断服务函数中查看是不是有需要运行的任务运行，但是我们一般的滴答时钟周期设置为10ms，也就是说不管有没有任务运行，必须10ms醒过来检测一次
但是freeRTOS不满足于这样，他想到了一个更“省电”的方法：原理如下，当我们开启freeRTOS的低功耗模式后，系统会在空闲模式中计算出下一次某一个应用任务开始运行的时间，那么freeRTOS就设置SYSTICKD的重装值，使之恰好在这个时间点产生滴答时钟中断，然后“睡觉”，直至中断发生推出睡眠，从而进行任务的切换，这样系统就只需要在必须醒来的时候醒来进行任务切换，而不必每10ms就醒过来检测一次，那么是不是可以美美的睡上一觉呢

问题：如果需要睡眠的时间太长，超过了systick所能产生的最大时钟周期怎么办？
答：freeRTOS提出了解决方案，那就是使用普通定时器作为滴答时钟，通过改变其分频数来达到systick不能达到的的时钟周期

三、freertos低功耗具体的实现过程
1、找到空闲函数static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask, pvParameters )，我们截取部分代码，并用红色字体标出重要的点

#if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 ) //点1
{
TickType_t xExpectedIdleTime;
/* It is not desirable to suspend then resume the scheduler on
each iteration of the idle task. Therefore, a preliminary
test of the expected idle time is performed without the
scheduler suspended. The result here is not necessarily
valid. */
xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime(); //点2
if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
{
vTaskSuspendAll();
{
/* Now the scheduler is suspended, the expected idle
time can be sampled again, and this time its value can
be used. */
configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
{
traceLOW_POWER_IDLE_BEGIN();
portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime ); //点3
traceLOW_POWER_IDLE_END();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
( void ) xTaskResumeAll();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}

复制代码

点1：这是一个条件编译选择项，configUSE_TICKLESS_IDLE 为低功耗的宏开关，设为1时开启低功耗模式
点2： prvGetExpectedIdleTime()用于计算从现在到下一个任务运行的时间，也就是可以睡大觉的时间
点3：portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP（）通过xExpectedIdleTime参数调整systick的重装值然后开始“睡大觉”等待下一次唤醒，这个函数可以认真研读一下，比较巧妙
四：freeRTOS的省电效果
在F429开发板上面，我验证了一下freeRTOS低功耗的省电效果，我的工程是建立两个任务，一个任务是让led1灯以500ms亮灭，另一个任务是让led2灯以1000ms亮灭
首先是关闭低功耗特性，使程序运行，发现电流在125mA~134mA,注意，单纯的看这个数据没有意义，我们需要和低功耗模式系下进行比较，因为开发板上面还有其他的芯片，功耗也是不可忽略的
接下来通过相关配置开启freeRTOS睡眠模式，发现电流在99mA~111mA之间，比正常工作模式减少了25mA左右
置位SLEEPDEEP位，使freeRTOS进入stop模式，发现电流在88mA~96mA之间比正常工作模式减少了40mA左右

从上面的3组数据看出，freeRTOS的低功耗模式效果相当明显，减少的40mA对某些电子产品来说是非常重要的，当然我们这只是粗略的进行验证，freeRTOS还提供了接口函数configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );和configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );，这两个函数的位置分别位于_wfi指令前面和后面，用户可以在进入睡眠之前通过configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime )函数对控制器的外设进行配置，以达到最优的省电效果，退出睡眠模式后通过configPOST_SLEEP_PROCESSING（xModifiableIdleTime ）对之前配置的外设进行还原

低功耗这个东西是一个很灵活的东西，在硬件层面和软件层面都可以不断地优化从而使功耗不断降低。
挂一漏万，期待各位的什么纠正