FreeRTOS 低功耗 Tickless 模式
一、低功耗模式简介
FreeRTOS 的 Tickless 模式是一种特殊的运行模式，用于最小化系统的时钟中断频率，以降低功耗。在 Tickless 模式下，系统只在有需要时才会启动时钟中断，而在无任务要运行时则完全进入休眠状态，从而降低功耗。在滴答中断重启时，会对 RTOS 滴答计数值进行校正调整。
Tickless模式的实现方式通常依赖于微控制器的硬件特性，尤其是低功耗定时器或实时时钟单元。以下是 Tickless 模式的一般工作原理：
- 空闲任务检测：FreeRTOS 会通过空闲任务（Idle Task）来检测系统是否有任务需要执行。如果没有任务需要执行，系统可以进入休眠状态。
- 时钟中断：当有任务需要执行时，系统会启动时钟中断，唤醒处理器。
- 时钟中断处理：在时钟中断处理函数中，FreeRTOS 将检查任务的状态并决定是否继续执行。
- 休眠状态：如果没有任务需要执行，系统可以进入休眠状态，关闭时钟中断。在休眠状态下，处理器可以进入更低功耗的模式。
- 任务唤醒：当有任务需要执行时，系统会再次启动时钟中断，唤醒处理器，然后执行相应的任务。
在 Tickless 模式下，系统的时钟中断频率明显降低，从而降低了系统的平均功耗。Tickless 模式适用于那些对功耗要求较高、需要长时间运行在低功耗状态的嵌入式系统。比如：电池驱动设备、物联网（IoT）设备、低功耗传感器节点、无线通信模块等。
二、Tickless模式详解
STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE增强型产品支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。
- 睡眠模式（Sleep Mode）
只有CPU停止**，所有外设处于工作状态并可在发生中断/事件时唤醒CPU。**
- 停机模式（Stop Mode）
在保持SRAM和寄存器内容不丢失的情况下，停机模式可以达到最低的电能消耗。在停机模式下，停止所有内部1.8V部分的供电，PLL、HSI的RC振荡器和HSE晶体振荡器被关闭，调压器可以被置于普通模式或低功耗模式。可以通过任一配置成EXTI的信号把微控制器从停机模式中唤醒，EXTI信号可以是16个外部I/O 口之一、PVD的输出、RTC闹钟或USB的唤醒信号。
- 待机模式（Standby Mode）
在待机模式下可以达到最低的电能消耗。内部的电压调压器被关闭，因此所有内部1.8V部分的供电被切断；PLL、HSI的RC振荡器和HSE晶体振荡器也被关闭；进入待机模式后，SRAM和寄存器的内容将消失，但后备寄存器的内容仍然保留，待机电路仍工作。从待机模式退出的条件是：NRST上的外部复位信号、IWDG复位、WKUP引脚上的一个上升边 沿或RTC的闹钟到时。
注意：在进入停机或待机模式时，RTC、IWDG和对应的时钟不会被停止。
主要使用睡眠模式，任何中断或事件都可以唤醒睡眠模式。Tickless低功耗模式通过调用指令 __WFI 实现睡眠模式
FreeRTOS系统中的所有其它任务都不在运行时（处于阻塞或挂起），会运行空闲任务。所以想不影响系统运行又降低功耗，可以在空闲任务执行的期间，让MCU 进入相应的低功耗模式。
由于滴答定时器频繁中断则会影响低功耗，所以FreeRTOS的Tickless低功耗模式会自动把滴答定时器的中断周期修改为低功耗运行时间，退出低功耗后再补上系统时钟节拍数。
- Tickless模式相关配置项（掌握）
| 配置项 | 说明 |
|---|---|
| configUSE_TICKLESS_IDLE | 使能低功耗 Tickless 模式，默认0 |
| configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP | 系统进入相应低功耗模式的最短时长，默认2 |
| configPRE_SLEEP_PROCESSING(x) | 在系统进入低功耗模式前执行的事务，比如关闭外设时钟 |
| configPOST_SLEEP_PROCESSING(x) | 系统退出低功耗模式后执行的事务，比如开启之前关闭的外设时钟 |
三、Tickless低功耗模式实验
- 实验目标
学习使用 FreeRTOS 中的Tickless低功耗模式
- FreeRTOSConfig.h代码清单
#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1
#include “freertos_demo.h”
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING( x ) PRE_SLEEP_PROCESSING()
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING( x ) POST_SLEEP_PROCESSING()
- freertos_demo.c代码清单
引入信号量头文件
#include “semphr.h”
- 低功耗处理函数
/* 进入低功耗前所需要执行的操作 */
void PRE_SLEEP_PROCESSING(void)
{
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOD_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOE_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_DISABLE();
__HAL_RCC_GPIOG_CLK_DISABLE();
}
/* 退出低功耗后所需要执行的操作 */
void POST_SLEEP_PROCESSING(void)
{
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();
}
- 任务配置
/* 启动任务函数 */
#define START_TASK_PRIORITY 1
#define START_TASK_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t start_task_handler;
void Start_Task(void *pvParameters);
/* Task1 任务 配置 */
#define TASK1_PRIORITY 2
#define TASK1_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t task1_handler;
void Task1(void *pvParameters);
/* Task2 任务 配置 */
#define TASK2_PRIORITY 3
#define TASK2_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t task2_handler;
void Task2(void *pvParameters);
- 入口函数
QueueHandle_t semphore_handle;
/**
* @description: FreeRTOS入口函数：创建任务函数并开始调度
* @return {*}
*/
void FreeRTOS_Start(void)
{
semphore_handle = xSemaphoreCreateBinary();
if (semphore_handle != NULL)
{
printf(“二值信号量创建成功\r\n”);
}
xTaskCreate((TaskFunction_t)Start_Task,
(char *)“Start_Task”,
(configSTACK_DEPTH_TYPE)START_TASK_STACK_DEPTH,
(void *)NULL,
(UBaseType_t)START_TASK_PRIORITY,
(TaskHandle_t *)&start_task_handler);
vTaskStartScheduler();
}
- 初始任务函数
void Start_Task(void *pvParameters)
{
taskENTER_CRITICAL(); /* 进入临界区 */
xTaskCreate((TaskFunction_t)Task1,
(char *)“Task1”,
(configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK1_STACK_DEPTH,
(void *)NULL,
(UBaseType_t)TASK1_PRIORITY,
(TaskHandle_t *)&task1_handler);
xTaskCreate((TaskFunction_t)Task2,
(char *)“Task2”,
(configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK2_STACK_DEPTH,
(void *)NULL,
(UBaseType_t)TASK2_PRIORITY,
(TaskHandle_t *)&task2_handler);
vTaskDelete(NULL);
taskEXIT_CRITICAL(); /* 退出临界区 */
}
- task1任务函数
/**
* @description: 释放二值信号量
* @param {void *} pvParameters
* @return {*}
*/
void Task1(void *pvParameters)
{
uint8_t key = 0;
BaseType_t err;
while (1)
{
key = Key_Detect();
if (key == KEY1_PRESS)
{
if (semphore_handle != NULL)
{
err = xSemaphoreGive(semphore_handle);
if (err == pdPASS)
{
printf(“信号量释放成功\r\n”);
}
else
printf(“信号量释放失败\r\n”);
}
}
vTaskDelay(10);
}
}
- task2任务函数
/**
* @description: 获取二值信号量
* @param {void *} pvParameters
* @return {*}
*/
void Task2(void *pvParameters)
{
uint32_t i = 0;
BaseType_t err;
while (1)
{
/* 一直等待获取信号量 */
err = xSemaphoreTake(semphore_handle, portMAX_DELAY);
if (err == pdTRUE)
{
printf(“获取信号量成功\r\n”);
}
else
{
printf(“已超时%d\r\n”, ++i);
}
}
}
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