基于FreeRTOS的TICKLess 模式配置详解

只看该作者 · 2021-7-7 13:09

一．问题引出
在裸机开发中，我们通过直接配置相关函数使系统进入低功耗模式，当有中断发送时将处理器唤醒，此配置过程为开发者可控。而RTOS系统的运行基于OS内核任务调度，任务之间的切换也由系统自动完成，相对不可控。因此对于系统低功耗配置FreeRTOS为系统低功耗配置提供了一种解决方法------->TICKLess。

只看该作者 · 2021-7-7 13:10

二．TICKLess模式简介
RTOS系统的运行为用户任务与系统空闲任务交替运行，因此我们需要在处理器执行空闲任务时进入低功耗状态，当需要执行用户任务或者由中断发生时再将系统从低功耗状态唤醒。

而SYSTick系统滴答定时器为RTOS系统提供系统时钟，且会产生周期性中断，可以将系统从低功耗模式唤醒(sleep或stop模式)，因此需要在进入低功耗之前将滴答关闭。对此我们面临了两个问题：
问题一：关闭系统滴答定时器会导致系统节拍计数器停止，系统时钟就会停止。
SYSTick是RTOS系统时钟，关闭SYSTick的话系统运行就停止了，是绝对不允许的。该如何让解决这个问题？我们可以记录下低功耗期间SYSTick关闭的时间，当系统退出低功耗模式后将这段时间补偿给系统节拍计数器，并重新打开SYSTick，正常运行。那么怎样记录睡眠的这段时间呢？STM32L系列单片机都有LPTIM定时器，其时钟可由LSE提供，且不受stop模式影响。因此LPTIM可以充当系统睡眠中的计数器。记录睡眠的时间，并在唤醒后将该时间补偿给系统。完美解决第一个问题。
问题二：如何知道需要睡眠的时间？也就是什么时候唤醒执行用户任务？
系统进入低功耗模式后只能由有用中断唤醒。那么在睡眠期间外部中断可以将系统唤醒。如果没有外部中断呢？那么就只能用之前提到的LPTIM定时器产生的中断，那么LPTIM定时器需要设置唤醒时间，这个时间怎么确定？其实这个时间就是系统任务切换之间的空闲时间，也就是可以进入低功耗的时间。值得庆幸的是FreeRTOS已经替我们算出来这个时间了。就是它：xExpectedIdleTime。
接下来结合代码分析配置及执行过程：

只看该作者 · 2021-7-7 13:12

三．TICKLess的具体实现
1.空闲任务函数TICKLess的实现主要在port.c中的下面函数中：
void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
可以看出，此函数的唯一入口参数xExpectedIdleTime 不正是我们想要的空闲时间，也就是系统可以进入低功耗的最长时间，现在的情况就是FreeRTOS告诉我们这个时间，剩下的事情我们可以自己解决了。
那么这个函数又是在哪被调用的呢？前面我们谈到当系统执行空闲任务时可以进入低功耗，那么这个函数会不会在空闲任务执行函数中被调用？找一下果然是！！！
在task.c函数中找到了空闲任务执行函数如下，其中就包含对低功耗处理的调用。

static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask, pvParameters ){
/*******************************/
/**************省略************/
/*******************************/
#if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 )
{
TickType_t xExpectedIdleTime;
xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime(); //1.获取空闲任务执行时间
/*2.判断这个时间是都大于宏定义的某个值*/
if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
{
vTaskSuspendAll();
{
configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
{
traceLOW_POWER_IDLE_BEGIN();
/*3.调用真正的处理函数，也就是我们真正的执行函数，入口参数就是时间*/
portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );
traceLOW_POWER_IDLE_END();
}
else{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
( void ) xTaskResumeAll();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
}

简单解释：首先判断TICKLess这个功能是否使能，也就是configUSE_TICKLESS_IDLE这个宏定义是否定义，如果使能了TICKLess，那么首先在1获得需要空闲时间xExpectedIdleTime，然后在2处判断这个时间是否大于某个宏定义值，也就是这个时间是都足够大，太短了就没必要进低功耗了，吃力不讨好！如果都满足上面条件的话那么就执行真正的低功耗处理函数，这个函数通过一些宏定义最终在port.c中实现，现在我们转到port.c中看看。

只看该作者 · 2021-7-7 13:14

2.低功耗处理函数
#define portMAX_16_BIT_NUMBER 0xffff
#define    lptim_CLOCK_HZ         (32768/2)             //定义lptim的时钟
#if configUSE_TICKLESS_IDLE == 2
void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
{
/*
xMaximumPossibleSuppressedTicks:最大睡眠时间
xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ
ulReloadValue：lptim重装载值 ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
ulCompleteTickPeriods：补偿值       根据是否为定时器唤醒分两种情况
ulCount：唤醒后获得的lptim的计数值 ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&hlptim1);
*/
uint32_t xMaximumPossibleSuppressedTicks,ulReloadValue, ulCompleteTickPeriods,ulCount;
xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ /
   lptim_CLOCK_HZ;
//1.获得lptim可以计数的最大值//
printf("xMaximumPossibleSuppressedTicks=%d\r\n",xMaximumPossibleSuppressedTicks);
//printf("xExpectedIdleTime=%d\r\n",xExpectedIdleTime);
/* 2.确保睡眠时间不会超过定时器最大计数值 */
if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
{
xExpectedIdleTime =xMaximumPossibleSuppressedTicks;
} /*3.关闭滴答定时器，因为滴答定时器会干扰stop睡眠模式 */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;       /* 4.根据延时参数计算lptim的定时器中断装在值 */
ulReloadValue = (lptim_CLOCK_HZ * (xExpectedIdleTime - 1UL)/configTICK_RATE_HZ);
//printf("ulReloadValue=%d\r\n",ulReloadValue);
__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE ); //数据清除同步
__isb( portSY_FULL_READ_WRITE ); //指令清除同步
/* 5.将定时器中断标志位置0 */
LPTIM_ReloadMatch_flag=pdFALSE;
/* 6.确认是否可以进入低功耗模式，如果不能恢复正常后退出 */
if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
{
/* 重新配置滴答定时器 */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
   //开启滴答定时器
   portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;
   //重新加载reload值
   }
   /* 7.可以进入低功耗模式 */
   else
   {
   /* 8.使能低功耗定时器，低功耗定时器配置,psc=DIV1,arr=ulReloadValue，因此中断时间是ulReloadValue/32768S */
   MX_LPTIM1_Init(LPTIM_PRESCALER_DIV2,ulReloadValue,0);
   /* 9.入睡前处理 */
   configPRE_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
   /* 如果睡眠时间大于零 */
   if( xExpectedIdleTime > 0 )
   {
     __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
     //printf("enter stop!\r\n");
     _HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);    //清除wakeup flag
     HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
     //10.进入Stop模式
     SystemClock_Config();    //11.退出Stop模式之后重新配置系统时钟//
     printf("exit stop!\r\n");
     __isb( portSY_FULL_READ_WRITE);
   }
   /* 12.唤醒后处理 */
   configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
   /* 13.获取定时器当前计数值 */
   ulCount = HAL_LPTIM_ReadCounter(&hlptim1);
   //printf("ulCount=%d\r\n",ulCount);
   /* 14.停止计数器 */
HAL_LPTIM_PWM_Stop_IT(&hlptim1);
/* 15是定时器引发的中断 */
if( LPTIM_ReloadMatch_flag != pdFALSE )
{
//    printf("定时器中断引起的\r\n");
ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
}
/* 16是外部中断唤醒的 */
else
{
//printf("外部中断引起的\r\n");
ulCompleteTickPeriods = (ulCount * configTICK_RATE_HZ)/ lptim_CLOCK_HZ;
}
//printf("ulCompleteTickPeriods=%d\r\n",ulCompleteTickPeriods);
/*进入临界区*/
portENTER_CRITICAL();
//uwTick += ulCompleteTickPeriods;
//更新 HAL 基本时基
vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );    //17.补充时钟
/* 18.重新开启滴答定时器 */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;    //开启滴答定时器
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ - 1UL;    //重新加载reload值
/*退出临界区*/
portEXIT_CRITICAL();
}
}#endif /* #if configUSE_TICKLESS_IDLE */

只看该作者 · 2021-7-7 13:14

详细分析此函数：

获得lptim可以计数的最大值，由于lptim定时器的计时是有上限的，总不可能无限长计时咯！因此要先算出这个上限值，具体计算方法根据公式自行理解。
确保睡眠时间不会超过定时器最大计数值，由于唤醒是需要借助Lptim定时器中断的，因此最长睡眠时间不能超过这个上限。
关闭滴答定时器，因为滴答定时器会干扰stop睡眠模式。
根据延时参数计算lptim的定时器中断装载值，也就是根据要睡眠的时间计算lptim的装在值。
将定时器中断标志位置0 。自有用处
确认是否可以进入低功耗模式，如果不能恢复正常后退出。要就是确保当前没有用户任务再需要执行了，没有的话就继续执行下面睡眠操作，有的话恢复退出！
可以进入低功耗模式。
使能低功耗定时器并开启中断，低功耗定时器配置,psc=DIV1,arr=ulReloadValue，因此中断时间是ulReloadValue/32768 S，也就是根据分频、之前算出的重装载值开启lptim定时器及中断。
入睡前处理，在进入睡眠前可以关闭系统相关时钟及其他处理，为了在睡眠时获得更低功耗，需要注意的是要快进快出，不可阻塞系统！
进入Stop模式，此时系统会停止在这儿，等待唤醒后向下执行。
退出Stop模式之后重新配置系统时钟，执行这一句说明已经退出低功耗了，需要重新配置时钟。
唤醒后处理，之前睡眠前disable的一些操作，是不是要enable了？
获取定时器当前计数值，为了给后面补偿系统计时用。
停止计数器，lptim使命到此结束。
前面说过有两种方式（外部中断或lptim定时器中断）使系统退出睡眠，现在就是判断是哪种方式唤醒的。也即是判断lptim中断标志位LPTIM_ReloadMatch_flag是否置位。
两种唤醒方式的补偿值不同，分别计算。
根据计算出的补偿值补充系统时钟。
重新开启滴答定时器，恢复正常运行。

只看该作者 · 2021-7-7 13:15

四．低功耗TICKLess配置实现步骤

首先使能TICKLess功能，也就是配置宏configUSE_TICKLESS_IDLE == 2这里面，为0表示不使用TICKLess，为1表示使用系统自带低功耗模式（sleep模式+滴答定时器计时）为2表示自定义实现TICKLess功能。
设置最小进入TICKLess模式时间。configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP=2，这里系统默认是2，可根据实际需求改动。
配置LPTIM定时器，供后续使用。
实现低功耗具体函数，void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
编写进入和退出低功耗处理的两个函数，

入睡前处理：configPRE_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );
唤醒后处理：configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );

只看该作者 · 2021-7-7 13:17

五．注意事项
由于睡眠状态下是由外部中断唤醒的，不管是lptim还是其他中断，由于中断唤醒系统后OS系统还没有运行起来，因为还没有配置时钟，也没有补偿系统定时器。因此千万不要在中断服务函数中执行大量代码！！！更不能阻塞系统，推荐只能置一个标志位，等到系统完全启动之后根据标志位再执行相应动作。
意在进入睡眠前一定要关闭滴答定时器，退出时再配置。
注意LPTIM的配置，因为它决定了最大睡眠时间，xMaximumPossibleSuppressedTicks=portMAX_16_BIT_NUMBER * configTICK_RATE_HZ / lptim_CLOCK_HZ。这里面portMAX_16_BIT_NUMBER=0xFFFF是固定的，不能修改。configTICK_RATE_HZ=1000由系统决定，也不能修改。因此我们只能修改lptim_CLOCK_HZ，也就是LPTIM的时钟频率，系统默认是32728，计算得出最大睡眠时间是1999ms，修改lptim_CLOCK_HZ=32768/2之后系统最大睡眠时间是1999*2ms。

1万 · 2021-8-6 12:35

这种模式主要应用在什么情况下啊

1万 · 2021-8-6 12:39

各个系统的区别大吗