FreeRTOS低功耗之tickless模式

来源：互联网发布：有什么好的网游知乎编辑：程序博客网时间：2024/05/18 02:20

本章节为大家讲解FreeRTOS本身支持的低功耗模式tickless实现方法，tickless低功耗机制是当前小型RTOS所采用的通用低功耗方法，比如embOS，RTX和uCOS-III（类似方法）都有这种机制。

本章教程配套的例子含Cortex-M3内核的STM32F103和Cortex-M4内核的STM32F407以及F429。

33.1 tickless低功耗模式介绍

33.2 FreeRTOS的低功耗模式介绍

33.3 FreeRTOS的低功耗模式配置

33.4 FreeRTOS实现tickless模式的框架

33.5 实验例程说明

33.6 总结

33.1 tickless低功耗模式介绍

tickless低功耗机制是当前小型RTOS所采用的通用低功耗方法，比如embOS，RTX和uCOS-III（类似方法）都有这种机制。

FreeRTOS的低功耗也是采用的这种方式，那么tickless又是怎样一种模式呢？仅从字母上看tick是滴答时钟的意思，less是tick的后缀，表示较少的，这里的含义可以表示为无滴答时钟。整体看这个字母就是表示滴答时钟节拍停止运行的情况。

反映在FreeRTOS上，tickless又是怎样一种情况呢？我们都知道，当用户任务都被挂起或者阻塞时，最低优先级的空闲任务会得到执行。那么STM32支持的睡眠模式，停机模式就可以放在空闲任务里面实现。为了实现低功耗最优设计，我们还不能直接把睡眠或者停机模式直接放在空闲任务就可以了。进入空闲任务后，首先要计算可以执行低功耗的最大时间，也就是求出下一个要执行的高优先级任务还剩多少时间。然后就是把低功耗的唤醒时间设置为这个求出的时间，到时间后系统会从低功耗模式被唤醒，继续执行多任务。这个就是所谓的tickless模式。从上面的讲解中可以看出，实现tickless模式最麻烦是低功耗可以执行的时间如何获取。关于这个问题，FreeRTOS已经为我们做好了。

33.2 FreeRTOS的低功耗模式介绍

对于Cortex-M3和M4内核来说，FreeRTOS已经提供了tickless低功耗代码的实现，通过调用指令WFI实现睡眠模式，具体代码的实现就在port.c文件中，用户只需在FreeRTOSConfig.h文件中配置

宏定义configUSE_TICKLESS_IDLE为1即可。如果配置此参数为2，那么用户可以自定义tickless低功耗模式的实现。当用户将宏定义configUSE_TICKLESS_IDLE配置为1且系统运行满足以下两个条件时，系统内核会自动的调用低功耗宏定义函数portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP()：

-------------------------------

（1）当前空闲任务正在运行，所有其它的任务处在挂起状态或者阻塞状态。

（2）根据用户配置configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP的大小，只有当系统可运行于低功耗模式的时钟节拍数大于等于这个参数时，系统才可以进入到低功耗模式。此参数默认已经在FreeRTOS.h文件进行定义了，下面是具体的定义内容，当然，用户也可以在FreeRTOSConfig.h文件中重新定义：

#ifndef configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP

#define configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP 2

#endif

#if configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP < 2

#error configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP must not be less than 2

#endif

默认定义的大小是2个系统时钟节拍，且用户自定义的话，不可以小于2个系统时钟节拍。

---------------------------------

函数portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP是FreeRTOS实现tickles模式的关键，此函数被空闲任务调用，其定义是在portmacro.h文件中：

#ifndef portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP

extern void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime );

#define portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime ) vPortSuppressTicksAndSleep( xExpectedIdleTime )

#endif

其中函数vPortSuppressTicksAndSleep是实际的低功耗执行代码，在port.c文件中定义，参数xExpectedIdleTime就是系统可以处于低功耗模式的系统时钟节拍数。

FreeRTOS在线电子手册低功耗的说明http://www.freertos.org/low-power-tickless-rtos.html。

33.3 FreeRTOS的低功耗模式配置

关于FreeRTOS低功耗方面的配置主要涉及到以下几个问题。

33.3.1滴答定时器频率与系统主频的关系

对于Cortex-M3和M4内核的微控制器来说，实时操作系统一般都是采用滴答定时器做系统时钟，FreeRTOS也不例外。SysTick滴答定时器是一个24bit的递减计数器，有两种时钟源可选择，一个是系统主频，另一个是系统主频的八分频，默认的port.c移植文件中是用的系统主频。这里我们就根据这两种时钟源来说一说配置上的不同。

（1）SysTick滴答定时器时钟源选择系统主频

如果滴答定时器选择系统主频的话，那么需要配置configSYSTICK_CLOCK_HZ等于configCPU_CLOCK_HZ，这种关系已经在port.c文件中进行默认配置了：

#ifndef configSYSTICK_CLOCK_HZ

#define configSYSTICK_CLOCK_HZ configCPU_CLOCK_HZ

#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 1UL << 2UL )

#else

#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 0 )

#endif

其中系统主频configCPU_CLOCK_HZ是在FreeRTOSConfig.h文件中进行定义的。

（2）SysTick滴答定时器时钟源选择系统主频的八分频

这种情况的话，需要用户在FreeRTOSConfig.h文件中专门配置configSYSTICK_CLOCK_HZ为实际的频率，即系统主频的八分频大小。

33.3.2系统时钟节拍不使用滴答定时器

这种情况我们这里不做讨论，用户看FreeRTOS官网此处的说明即可：

http://www.freertos.org/low-power-ARM-cortex-rtos.html

33.3.3如何使用微控制器其它低功耗模式

前面我们说了，对Cortex-M3和M4内核来说，FreeRTOS自带的低功耗模式是通过指令WFI让系统进入睡眠模式，如果想让系统进入停机模式，又该怎么修改呢？FreeRTOS为我们提供了两个函数：

configPRE_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime )

configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime )

这两个函数的定义是在FreeRTOS.h文件中定义的，什么都没有执行：

#ifndef configPRE_SLEEP_PROCESSING

#define configPRE_SLEEP_PROCESSING( x )

#endif

#ifndef configPOST_SLEEP_PROCESSING

#define configPOST_SLEEP_PROCESSING( x )

#endif

如果需要实际执行代码需要用户在FreeRTOSConfig.h文件中重新进行宏定义，将其映射到一个实际的函数中。另外，这两个函数是在port.C文件中被函数vPortSuppressTicksAndSleep调用，具体位置如下：

xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;

configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime );

if( xModifiableIdleTime > 0 )

{

__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );

__wfi();

__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );

}

configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );

这两个函数位于指令wfi的前面和后面，用户想实现其它低功耗方式的关键就在这两个函数里面：

（1）configPRE_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime )

执行低功耗模式前，用户可以在这个函数里面关闭外设时钟来进一步降低系统功耗。设置其它低功耗方式也是在这个函数里面，用户只需设置参数xExpectedIdleTime=0即可屏蔽掉默认的wfi指令执行方式，因为退出这个函数后会通过if语句检测此参数是否大于0，即上面的代码所示。因此，如果用户想实现其它低功耗模式还是比较方便的，配置好其它低功耗模式后，设置参数 xExpectedIdleTime = 0即可，但切不可将此参数随意设置为0以外的其它数值。

（2）configPOST_SLEEP_PROCESSING ( xExpectedIdleTime )

退出低功耗模式后，此函数会得到调用，之前在configPRE_SLEEP_PROCESSING里面关闭的外设时钟，可以在此函数里面重新打开，让系统恢复到正常运行状态。

33.4FreeRTOS实现tickless模式的框架

对Cortex-M3和M4内核的微控制器来说，FreeRTOS已经提供了tickless低功耗模式的代码，对于没有支持的微控制器，用户可以在FreeRTOSConfig.h文件中配置portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP宏定义，来映射实际执行函数。

如果用户不想使用FreeRTOS提供的的tickless也可以自定义，方法也是在FreeRTOSConfig.h文件中配置portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP宏定义，来映射实际执行函数。

下面是FreeRTOS实现低功耗tickless模式的代码框架，方便用户对tickles模式有一个认识，同时也方便FreeRTOS没有支持的微控制器，用户可以参考实现。当然，不局限于这种方法，用户有更好的方法，也可以的。其中函数vTaskStepTick和eTaskConfirmSleepModeStatus是FreeRTOS提供的，其余的函数是需要用户实现的。

#define portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xIdleTime ) vApplicationSleep( xIdleTime )

void vApplicationSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )

{

unsigned long ulLowPowerTimeBeforeSleep, ulLowPowerTimeAfterSleep;

eSleepModeStatus eSleepStatus;

ulLowPowerTimeBeforeSleep = ulGetExternalTime();

prvStopTickInterruptTimer();

disable_interrupts();

eSleepStatus = eTaskConfirmSleepModeStatus();

if( eSleepStatus == eAbortSleep )

{

prvStartTickInterruptTimer();

enable_interrupts();

}

else

{

if( eSleepStatus == eNoTasksWaitingTimeout )

{

prvSleep();

}

else

{

vSetWakeTimeInterrupt( xExpectedIdleTime );

prvSleep();

ulLowPowerTimeAfterSleep = ulGetExternalTime();

vTaskStepTick( ulLowPowerTimeAfterSleep –ulLowPowerTimeBeforeSleep );

}

enable_interrupts();

prvStartTickInterruptTimer();

}

33.5实验例程说明

33.5.1STM32F103开发板实验

配套例子：

V4-339_FreeRTOS实验_低功耗（tickless之睡眠模式）

实验目的：

1. 学习FreeRTOS的低功耗(tickless之睡眠模式)。

2. FreeRTOS自带的tickless模式使用比较简单，只需用户使能宏配置：

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

3. 为了打印系统信息，前面的所有实验中初始化了一个定时器中断，精度高于滴答定时器中断，每50us进一次中断，本例子关闭了任务执行情况打印功能，因为高频率的定时器中断会影响低功耗tickless模式效率。

实验内容：

1. K1按键按下，串口打印任务执行情况（波特率115200，数据位8，奇偶校验位无，停止位1）。

2. FreeRTOS自带的tickless模式是调用的指令__WFI进入睡眠模式。

3. 各个任务实现的功能如下：

vTaskUserIF任务：按键消息处理。

vTaskLED任务：LED闪烁。

vTaskMsgPro任务：消息处理，这里用作LED闪烁。

vTaskStart任务：启动任务，也是最高优先级任务，这里实现按键扫描。

4. 设计低功耗主要从以下几方面着手：

(1) 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。可以使用的低功耗方式有睡眠模式，待机模式，停机模式。

(2) 选择了低功耗方式后就是关闭可以关闭的外设时钟。

(3) 降低系统主频。

(4) 注意I/O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。

a. 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。

b. 在停机模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。

c. 在待机模式下，所有的I/O引脚处于高阻态，除了以下的引脚：

n 复位引脚(始终有效)。

n 当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚。

n 被使能的唤醒引脚。

(5) 注意I/O和外设IC的连接。

(6) 测低功耗的时候，一定不要连接调试器，更不能边调试边测电流。

FreeRTOS的配置：

FreeRTOSConfig.h文件中的配置如下：

#if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)

#include

extern volatile uint32_t ulHighFrequencyTimerTicks;

#endif

#define configUSE_PREEMPTION 1

#define configUSE_IDLE_HOOK 0

#define configUSE_TICK_HOOK 0

#define configCPU_CLOCK_HZ ( ( unsigned long ) 72000000 )

#define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 1000 )

#define configMAX_PRIORITIES ( 5 )

#define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( unsigned short ) 128 )

#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )

#define configMAX_TASK_NAME_LEN ( 16 )

#define configUSE_TRACE_FACILITY 1

#define configUSE_16_BIT_TICKS 0

#define configIDLE_SHOULD_YIELD 1

#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

#define configUSE_CO_ROUTINES 0

#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES ( 2 )

#define INCLUDE_vTaskPrioritySet 1

#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet 1

#define INCLUDE_vTaskDelete 1

#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources 0

#define INCLUDE_vTaskSuspend 1

#define INCLUDE_vTaskDelayUntil 1

#define INCLUDE_vTaskDelay 1

#ifdef __NVIC_PRIO_BITS

#define configPRIO_BITS __NVIC_PRIO_BITS

#else

#define configPRIO_BITS 4

#endif

#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY 0x0f

#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 0x01

几个重要选项说明：

u #define configUSE_PREEMPTION 1

使能抢占式调度器

u #define configCPU_CLOCK_HZ ( ( unsigned long ) 72000000 )

系统主频72MHz。

u #define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 1000 )

系统时钟节拍1KHz，即1ms。

u #define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

使能tickless低功耗模式。

u #define configMAX_PRIORITIES ( 5 )

定义可供用户使用的最大优先级数，如果这个定义的是5，那么用户可以使用的优先级号是0,1,2,3,4，不包含5，对于这一点，初学者要特别的注意。

u #define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )

定义堆大小，FreeRTOS内核，用户动态内存申请，任务栈等都需要用这个空间。

u configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 0x01

定义受FreeRTOS管理的最高优先级中断。简单的说就是允许用户在这个中断服务程序里面调用FreeRTOS的API的最高优先级。为了进一步说明这个宏定义的的作用，解释如下：

l 使用CM内核的MCU，官方强烈建议将NVIC的优先级分组配置为全抢占式优先级，全部配置为抢占式优先级的好处就是方便管理。

l 对于STM32来说，设置NVIC的优先级分组为4时，NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4)就是全部配置为抢占式优先级。又因为STM32的优先级设置仅使用CM内核8bit中的高4bit，即只能区分2^4 = 16种优先级。因此当优先级分组设置为4的时候可供用户选择抢占式优先级为0到15，共16个优先级，配置为0表示最高优先级，配置为15表示最低优先级，不存在子优先级。

l 这里配置configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY为0x01表示用户可以在抢占式优先级为1到15的中断里面调用FreeRTOS的API函数，抢占式优先级为0的中断里面是不允许调用的。

更多关于这个参数说明请参看第12章。

程序设计：

u 任务栈大小分配：

vTaskUserIF任务：2048字节

vTaskLED任务：2048字节

vTaskMsgPro任务：2048字节

vTaskStart任务：2048字节

任务栈空间是在任务创建的时候从FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap空间中申请的

#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )

u 系统栈大小分配：

【FreeRTOS操作系统教程】第33章 <wbr>FreeRTOS低功耗之tickless模式

u FreeROTS初始化：

int main(void)

{

__set_PRIMASK(1);

bsp_Init();

AppTaskCreate();

vTaskStartScheduler();

while(1);

}

u 硬件外设初始化

硬件外设的初始化是在bsp.c文件实现：

void bsp_Init(void)

{

DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP, ENABLE);

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);

bsp_InitUart();

bsp_InitLed();

bsp_InitKey();

}

u FreeRTOS任务创建：

static void AppTaskCreate (void)

{

xTaskCreate( vTaskTaskUserIF,

"vTaskUserIF",

512,

NULL,

&xHandleTaskUserIF ); /* 任务句柄 */

xTaskCreate( vTaskLED,

"vTaskLED",

512,

NULL,

&xHandleTaskLED );

xTaskCreate( vTaskMsgPro,

"vTaskMsgPro",

512,

NULL,

&xHandleTaskMsgPro ); /* 任务句柄 */

xTaskCreate( vTaskStart,

"vTaskStart",

512,

NULL,

&xHandleTaskStart );

}

u 四个FreeRTOS任务的实现：

static void vTaskTaskUserIF(void *pvParameters)

{

uint8_t ucKeyCode;

while(1)

{

ucKeyCode = bsp_GetKey();

if (ucKeyCode != KEY_NONE)

{

switch (ucKeyCode)

{

case KEY_DOWN_K1:

printf("本例子关闭了任务执行情况打印功能，因为高频率的定时器中断影响低功耗tickless

模式效率\r\n");

break;

default:

break;

}

vTaskDelay(20);

}

static void vTaskLED(void *pvParameters)

{

TickType_t xLastWakeTime;

const TickType_t xFrequency = 200;

xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

while(1)

{

bsp_LedToggle(2);

bsp_LedToggle(3);

vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);

}

static void vTaskMsgPro(void *pvParameters)

{

TickType_t xLastWakeTime;

const TickType_t xFrequency = 400;

xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

while(1)

{

bsp_LedToggle(1);

bsp_LedToggle(4);

vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);

}

static void vTaskStart(void *pvParameters)

{

while(1)

{

bsp_KeyScan();

vTaskDelay(10);

}

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