FreeRTOS 低功耗之睡眠模式

Posted 2020-09-29 悄然拔尖

低功耗是 MCU 的一项重要的指标，比如某些可穿戴的设备，其携带的电量有限，如果整个电路消耗
的电量特别大的话，就会经常出现电量不足的情况，影响用户体验。
STM32F103 睡眠模式介绍
说明：在 FreeRTOS 系统上面实现睡眠方式仅需了解这里讲解的知识基本就够用了，更多睡眠方式的
知识请看 STM32F103 参考手册和 Cortex-M3 权威指南。
在系统或电源复位以后，微控制器处于运行状态。当 CPU 不需继续运行时，可以利用多种低功耗模
式来节省功耗，例如等待某个外部事件时，用户需要根据最低电源消耗、最快速启动时间和可用的唤醒源
等条件，选定一个最佳的低功耗模式。
STM32F103 有三种低功耗模式：
? 睡眠模式(Cortex?-M3 内核停止，所有外设包括 Cortex-M3 核心的外设，如 NVIC、系统滴答
定时器 Systick 等仍在运行)。
? 停机模式(所有的时钟都已停止)。
? 待机模式(1.8V 电源关闭)。
如何进入睡眠模式
通过执行 WFI（等待中断）或 WFE（等待事件）指令进入睡眠状态。根据 Cortex?-M3 系统控制
寄存器中的 SLEEPONEXIT 位的值，可以通过两种方案选择睡眠模式进入机制：
? SLEEP-NOW：如果 SLEEPONEXIT 位被清除，当 WFI 或 WFE 被执行时，微控制器立即进入睡眠模式。
? SLEEP-ON-EXIT：如果 SLEEPONEXIT 位被置位，系统从最低优先级的中断处理程序中退出时，微控
制器就立即进入睡眠模式。
实际应用中我们采用 WFI 指令进入睡眠模式，睡眠模式的进入机制是采用的 SLEEP-NOW。 因为系
统复位上电后 SLEEPONEXIT 位是被清除的，所以这个位也不需要专门的去设置。 另外在睡眠模式下，所
有的 I/O 引脚都保持它们在运行模式时的状态。
在 FreeRTOS 系统上，不使用 tickless 低功耗模式的话，我们可以将 WFI 指令放到空闲任务里面实
现。 不过，既然有了 tickless 模式，基本就不需要采用这种方法了。
如何退出睡眠模式
由于我们是采用指令 WFI 进入睡眠模式，那么任意一个被嵌套向量中断控制器 NVIC 响应的外设中断
都能将系统从睡眠模式唤醒。并且该模式唤醒所需的时间最短，因为没有时间损失在中断的进入或退出上。
在 FreeRTOS 系统上，主要是周期性执行的系统滴答定时器中断会将系统从睡眠态唤醒，当然，其它
的任意中断也可以将其从睡眠态唤醒。
STM32F4xx 睡眠模式介绍
说明：本小节的内容含 STM32F407 和 STM32F429，在 FreeRTOS 系统上面实现睡眠方式仅需了解
这里讲解的知识基本就够用了，更多睡眠方式的知识请看 STM32F4xx 参考手册和 Cortex-M4 权威指南。
默认情况下，系统复位或上电复位后，微控制器进入运行模式。在运行模式下，CPU 通过 HCLK 提
供时钟，并执行程序代码。系统提供了多个低功耗模式，可在 CPU 不需要运行时（例如等待外部事件时）
节省功耗。由用户根据应用选择具体的低功耗模式，以在低功耗、短启动时间和可用唤醒源之间寻求最佳
平衡。

STM32F4xx 有三个低功耗模式：
? 睡眠模式（Cortex?-M4F 内核停止，外设保持运行）
? 停机模式（所有时钟都停止）
? 待机模式（1.2 V 域断电）
如何进入睡眠模式
执行 WFI（等待中断）或 WFE（等待事件）指令即可进入睡眠模式。根据 Cortex?-M4F 系统控
制寄存器中 SLEEPONEXIT 位的设置，可以通过两种方案选择睡眠模式进入机制：
? 立即睡眠：如果 SLEEPONEXIT 位清零， MCU 将在执行 WFI 或 WFE 指令时立即进入睡眠模式
? 退出时睡眠：如果 SLEEPONEXIT 位置 1，MCU 将在退出优先级最低的 ISR 时立即进入睡眠模式。
实际应用中我们采用 WFI 指令进入睡眠模式，睡眠模式的进入机制是采用的立即睡眠。 因为系统复位
上电后 SLEEPONEXIT 位是被清除的，所以这个位也不需要专门的去设置。 另外在睡眠模式下，所有的 I/O
引脚都保持它们在运行模式时的状态。
在 FreeRTOS 系统上，不使用 tickless 低功耗模式的话，我们可以将 WFI 指令放到空闲任务里面实
现。 不过，既然有了 tickless 模式，基本就不需要采用这种方法了。
如何退出睡眠模式
由于我们是采用指令 WFI 进入睡眠模式，那么任意一个被嵌套向量中断控制器 NVIC 响应的外设中断
都能将系统从睡眠模式唤醒。并且该模式唤醒所需的时间最短，因为没有时间损失在中断的进入或退出上。
在 FreeRTOS 系统上，主要是周期性执行的系统滴答定时器中断会将系统从睡眠态唤醒，当然，其它
的任意中断也可以将其从睡眠态唤醒。
低功耗模式的调试支持
要进入低功耗模式需要调用指令 WFI 或 WFE。
STM32 支持多个低功耗模式，这些模式可以禁止 CPU 时钟或降低 CPU 功耗。 内核不允许在调试期
间关闭 FCLK 或 HCLK，因为调试期间需要使用它们进行调试连接，因此必须保持激活状态。 STM32 集
成了特殊方法，允许用户在低功耗模式下调试软件。 为实现这一功能，调试器必须先设置一些配置寄存器
来改变低功耗模式的特性。
? 在睡眠模式下，调试器必须先置位 DBGMCU_CR 寄存器的 DBG_SLEEP 位。这将为 HCLK 提供与
FCLK(由代码配置的系统时钟)相同的时钟。
调用库函数：DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP, ENABLE);即可
? 在停机模式下，调试器必须先置位 DBG_STOP 位。这将激活内部 RC 振荡器，在停止模式下为 FCLK
和 HCLK 提供时钟。
调用库函数：DBGMCU_Config(DBGMCU_STOP, ENABLE);即可
如何有效降低睡眠模式下的功耗
设计低功耗主要从以下几方面着手：
? 关闭可以关闭的外设时钟。
? 降低系统主频。
? 注意 I/O 的状态，因为睡眠模式下，所有的 I/O 引脚都保持它们在运行模式时的状态。
? 如果此 I/O 口带上拉，请设置为高电平输出或者高阻态输入。
? 如果此 I/O 口带下拉，请设置为低电平输出或者高阻态输入。
? 注意 I/O 和外设 IC 的连接。
? 测试低功耗的时候，一定不要连接调试器，更不能边调试边测电流。