FreeRTOS 低功耗之 tickless 模式

傷城~ 2022-06-09 14:06 275阅读 0赞

## 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。但是，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里。  
  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。

> 1.  空闲钩子设置低功耗时，需要在`FreeRTOSConfig.h` 中，将宏`configUSE_IDLE_HOOK` 置为1，然后自己实现固定接口：`void vApplicationIdleHook(void );`同时， 这个钩子函数不可以调用会引起空闲任务阻塞的API函数（例如：vTaskDelay()、带有阻塞时间的队列和信号量函数），在钩子函数内部使用协程是被允许的。
> 2.  在空闲任务钩子函数中设置微处理器进入低功耗模式来达到省电的目的。因为系统要响应系统节拍中断事件，因此使用这种方法会周期性的退出、再进入低功耗状态。如果系统节拍中断频率过快，则大部分电能和CPU时间会消耗在进入和退出低功耗状态上。

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。

## 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。

> 注意：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()：

*  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。
 *  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）：  
    ![configEXPECTED\_IDLE\_TIME\_BEFORE\_SLEEP][configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP]  
    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 tickless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：  
    ![portSUPPRESS\_TICKS\_AND\_SLEEP()][portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP]

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

## 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。

*  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。
    
     *  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：  
        ![configSYSTICK\_CLOCK\_HZ][configSYSTICK_CLOCK_HZ]  
        其中系统主频 `configCPU_CLOCK_HZ` 是在 `FreeRTOSConfig.h`文件中进行定义的。
     *  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`为实际需要的频率，即系统主频的八分频大小。  
        
    
    > 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][http_www.freertos.org_low-power-ARM-cortex-rtos.html]

## 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：  
![configPRE\_SLEEP][configPRE_SLEEP]  
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：  
![vPortSuppressTicksAndSleep][]  
![vPortSuppressTicksAndSleep][vPortSuppressTicksAndSleep 1]  
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：

*  `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。
 *  `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。

## FreeRTOS 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。  
![1][]  
![2][]  
![3][]  
![4][]  
显然用户自己配置要麻烦得多，好在FreeRTOS为M3，M4内核的做好了低功耗之睡眠模式，使得我们使用STM32 F1，F4系列的时候可以很简单，只需要在配置文件`FreeRTOSConfig.h`中加上一个宏定义：`#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1`

# 鸣谢 #

文章原地址：[http://www.cnblogs.com/yangguang-it/p/7232448.html][http_www.cnblogs.com_yangguang-it_p_7232448.html]，感谢原作者。  
在此基础上，添加修改了一些东西！

[configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP]: /images/20220609/f88bdb9b225447caa4ea96fb6171d830.png
[portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP]: /images/20220609/7167a4d5f17e417ab2e861f9ba46e506.png
[http_www.freertos.org_low-power-tickless-rtos.html]: http://www.freertos.org/low-power-tickless-rtos.html
[configSYSTICK_CLOCK_HZ]: /images/20220609/3630e9d4cb1a471083b1fccbd2877a20.png
[http_www.freertos.org_low-power-ARM-cortex-rtos.html]: http://www.freertos.org/low-power-ARM-cortex-rtos.html
[configPRE_SLEEP]: /images/20220609/78c281fbca774fc5a90f8ab211a8adb9.png
[vPortSuppressTicksAndSleep]: /images/20220609/962d8ade51e54617b310308e504b5453.png
[vPortSuppressTicksAndSleep 1]: /images/20220609/c24a5deecc7848b38bc8a2c1be68c39d.png
[1]: /images/20220609/f4e5b7613cf840adac7c91b5e2431f1d.png
[2]: /images/20220609/32734a8f2cec464696e88f6ff1459529.png
[3]: /images/20220609/087eabeb2bb045b7b78919138d924655.png
[4]: /images/20220609/55f8a80963114226a5898cfae455d8ee.png
[http_www.cnblogs.com_yangguang-it_p_7232448.html]: http://www.cnblogs.com/yangguang-it/p/7232448.html