如何在RTOS中处理微控制器的低功耗特性-电子发烧友网

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。