FreeRTOS — 低功耗之tickless模式**

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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。

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。

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()：
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 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： 

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。

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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： 

FreeRTOS 在线电子手册低功耗的说明 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。

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。
 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：

 

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 为实际的频率，即系统主频的八分频大小。

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

 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：

 

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：

 

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。

 

 

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休眠模式，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：
 复位引脚(始终有效)。
 当被设置为防侵入或校准输出时的 TAMPER 引脚。
 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。