实时系统低功耗原理及实现,非常实用的方案
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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, 本文会讨论一下如何在 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:
当
Idle
任务运行时,进入低功耗模式;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。
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
更长的时间处于低功耗模式。
Tickless Idle Mode 的原理及实现
情景分析
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
,TaskB
,TaskC
,TaskD
:
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
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)。
1. 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。
2. 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;
3.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;
4. Idle4
与 Idle1
情况相同。
Tickless Idle Mode 的软件设计原理
Tickless Idle Mode
的设计思想在于尽可能地在 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:
合理地进入低功耗模式(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
)。当
MCU
被唤醒时,通过某种方式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;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。
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。
1. 使能
#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1
2. 空闲任务(RTOS 空闲时自动调用)
3. 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……)
最后
STM32
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)。
转自公众号:一起学嵌入式
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