第33章 FreeRTOS低功耗之tickless模式

程序设计：
任务栈大小分配：
    vTaskUserIF任务   ：2048字节
    vTaskLED任务     ：2048字节
    vTaskMsgPro任务 ：2048字节
    vTaskStart任务    ：2048字节
    任务栈空间是在任务创建的时候从FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap空间中申请的
    #defineconfigTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t )( 30 * 1024 ) )
系统栈大小分配：

FreeROTS初始化：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: main
*    功能说明: 标准c程序入口。
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
     /*
       在启动调度前，为了防止初始化STM32外设时有中断服务程序执行，这里禁止全局中断(除了NMI和HardFault)。
       这样做的好处是：
       1. 防止执行的中断服务程序中有FreeRTOS的API函数。
       2. 保证系统正常启动，不受别的中断影响。
       3. 关于是否关闭全局中断，大家根据自己的实际情况设置即可。
       在移植文件port.c中的函数prvStartFirstTask中会重新开启全局中断。通过指令cpsie i开启，__set_PRIMASK(1)
       和cpsie i是等效的。
     */
     __set_PRIMASK(1);
   
     /* 硬件初始化 */
     bsp_Init();
   
     /* 创建任务 */
     AppTaskCreate();
   
    /* 启动调度，开始执行任务 */
    vTaskStartScheduler();
     /*
       如果系统正常启动是不会运行到这里的，运行到这里极有可能是用于定时器任务或者空闲任务的
       heap空间不足造成创建失败，此要加大FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap大小：
       #define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
     */
     while(1);
}

硬件外设初始化
    硬件外设的初始化是在bsp.c文件实现：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: bsp_Init
*    功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
     /*
         由于ST固件库的启动文件已经执行了CPU系统时钟的初始化，所以不必再次重复配置系统时钟。
         启动文件配置了CPU主时钟频率、内部Flash访问速度和可选的外部SRAM FSMC初始化。
         系统时钟缺省配置为168MHz，如果需要更改，可以修改 system_stm32f4xx.c 文件
     */
     /* 保证睡眠模式下调试器继续可以连接使用 */
     DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP, ENABLE);
     /* 优先级分组设置为4，可配置0-15级抢占式优先级，0级子优先级，即不存在子优先级。*/
     NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
     bsp_InitUart();    /* 初始化串口 */
     bsp_InitKey();     /* 初始化按键变量 */
     bsp_InitLed();     /* 初始LED指示灯端口 */
}

FreeRTOS任务创建：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppTaskCreate
*    功能说明: 创建应用任务
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate (void)
{
    xTaskCreate( vTaskTaskUserIF,   /* 任务函数  */
                 "vTaskUserIF",     /* 任务名    */
                 512,               /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,               /* 任务参数  */
                 1,                 /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskUserIF );  /* 任务句柄  */
   
   
     xTaskCreate( vTaskLED,           /* 任务函数  */
                 "vTaskLED",         /* 任务名    */
                 512,                /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,               /* 任务参数  */
                 2,                  /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskLED ); /* 任务句柄  */
   
     xTaskCreate( vTaskMsgPro,            /* 任务函数  */
                 "vTaskMsgPro",           /* 任务名    */
                 512,                     /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,                    /* 任务参数  */
                 3,                       /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskMsgPro );  /* 任务句柄  */
   
   
     xTaskCreate( vTaskStart,             /* 任务函数  */
                 "vTaskStart",            /* 任务名    */
                 512,                     /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,                    /* 任务参数  */
                 4,                       /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskStart );   /* 任务句柄  */
}

33.5.3 STM32F429开发板实验


配套例子：
     V6-339_FreeRTOS实验_低功耗（tickless之睡眠模式）
实验目的：
    1.     学习FreeRTOS的低功耗(tickless之睡眠模式)。
    2.     FreeRTOS自带的tickless模式使用比较简单，只需用户使能宏配置：
        #defineconfigUSE_TICKLESS_IDLE         1
    3.     为了打印系统信息，前面的所有实验中初始化了一个定时器中断，精度高于滴答定时器中断，每50us进一次中断，本例子关闭了任务执行情况打印功能，因为高频率的定时器中断会影响低功耗tickless模式效率。
实验内容：
    1.     K1按键按下，串口打印任务执行情况（波特率115200，数据位8，奇偶校验位无，停止位1）。
    2.     FreeRTOS自带的tickless模式是调用的指令__WFI进入睡眠模式。
    3.     各个任务实现的功能如下：
              vTaskUserIF任务   ：按键消息处理。
              vTaskLED任务     ：LED闪烁。
              vTaskMsgPro任务 ：消息处理，这里用作LED闪烁。
              vTaskStart任务    ：启动任务，也是最高优先级任务，这里实现按键扫描。

4.     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：
                               01、复位引脚(始终有效)。
                               02、当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚。
                               03、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。

FreeRTOS的配置：
    FreeRTOSConfig.h文件中的配置如下：
复制代码
/* Ensure stdint is only used by the compiler, and not the assembler. */
#if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)
#include
extern volatile uint32_t ulHighFrequencyTimerTicks;
#endif
#define configUSE_PREEMPTION         1
#define configUSE_IDLE_HOOK          0
#define configUSE_TICK_HOOK          0
#define configCPU_CLOCK_HZ           ( ( unsigned long ) 168000000 )
#define configTICK_RATE_HZ           ( ( TickType_t ) 1000 )
#define configMAX_PRIORITIES         ( 5 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE     ( ( unsigned short ) 128 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 30 * 1024 ) )
#define configMAX_TASK_NAME_LEN      ( 16 )
#define configUSE_TRACE_FACILITY      1
#define configUSE_16_BIT_TICKS       0
#define configIDLE_SHOULD_YIELD      1
#define configUSE_TICKLESS_IDLE      1
/* Co-routine definitions. */
#define configUSE_CO_ROUTINES             0
#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES ( 2 )
/* Set the following definitions to 1 to include the API function, or zero
to exclude the API function. */
#define INCLUDE_vTaskPrioritySet          1
#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet         1
#define INCLUDE_vTaskDelete               1
#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources      0
#define INCLUDE_vTaskSuspend              1
#define INCLUDE_vTaskDelayUntil           1
#define INCLUDE_vTaskDelay                1
/* Cortex-M specific definitions. */
#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
     /* __BVIC_PRIO_BITS will be specified when CMSIS is being used. */
     #define configPRIO_BITS              __NVIC_PRIO_BITS
#else
     #define configPRIO_BITS              4        /* 15 priority levels */
#endif
/* The lowest interrupt priority that can be used in a call to a "set priority"
function. */
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY              0x0f
/* The highest interrupt priority that can be used by any interrupt service
routine that makes calls to interrupt safe FreeRTOS API functions.  DO NOT CALL
INTERRUPT SAFE FREERTOS API FUNCTIONS FROM ANY INTERRUPT THAT HAS A HIGHER
PRIORITY THAN THIS! (higher priorities are lower numeric values. */
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY         0x01

几个重要选项说明：
1、#define configUSE_PREEMPTION        1
        使能抢占式调度器
2、#define configCPU_CLOCK_HZ     ( ( unsigned long ) 168000000 )
        系统主频168MHz。
3、#define configTICK_RATE_HZ              ( ( TickType_t ) 1000 )
        系统时钟节拍1KHz，即1ms。
4、#define configUSE_TICKLESS_IDLE     1
         使能tickless低功耗模式。
5、#define configMAX_PRIORITIES          ( 5 )
        定义可供用户使用的最大优先级数，如果这个定义的是5，那么用户可以使用的优先级号是0,1,2,3,4，不包含5，对于这一点，初学者要特别的注意。
6、#define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 30 * 1024 ) )
         定义堆大小，FreeRTOS内核，用户动态内存申请，任务栈等都需要用这个空间。
7、configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY          0x01
        定义受FreeRTOS管理的最高优先级中断。简单的说就是允许用户在这个中断服务程序里面调用FreeRTOS的API的最高优先级。为了进一步说明这个宏定义的的作用，解释如下：
    （1）使用CM内核的MCU，官方强烈建议将NVIC的优先级分组配置为全抢占式优先级，全部配置为抢占式优先级的好处就是方便管理。
    （2）对于STM32来说，设置NVIC的优先级分组为4时，NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4)就是全部配置为抢占式优先级。又因为STM32的优先级设置仅使用CM内核8bit中的高4bit，即只能区分2^4 = 16种优先级。因此当优先级分组设置为4的时候可供用户选择抢占式优先级为0到15，共16个优先级，配置为0表示最高优先级，配置为15表示最低优先级，不存在子优先级。
    （3）这里配置configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY为0x01表示用户可以在抢占式优先级为1到15的中断里面调用FreeRTOS的API函数，抢占式优先级为0的中断里面是不允许调用的。

程序设计：
任务栈大小分配：
      vTaskUserIF任务   ：2048字节
      vTaskLED任务     ：2048字节
      vTaskMsgPro任务 ：2048字节
      vTaskStart任务    ：2048字节
      任务栈空间是在任务创建的时候从FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap空间中申请的
      #defineconfigTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t )( 30 * 1024 ) )
系统栈大小分配：

FreeROTS初始化：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: main
*    功能说明: 标准c程序入口。
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
     /*
       在启动调度前，为了防止初始化STM32外设时有中断服务程序执行，这里禁止全局中断(除了NMI和HardFault)。
       这样做的好处是：
       1. 防止执行的中断服务程序中有FreeRTOS的API函数。
       2. 保证系统正常启动，不受别的中断影响。
       3. 关于是否关闭全局中断，大家根据自己的实际情况设置即可。
       在移植文件port.c中的函数prvStartFirstTask中会重新开启全局中断。通过指令cpsie i开启，__set_PRIMASK(1)
       和cpsie i是等效的。
     */
     __set_PRIMASK(1);
   
     /* 硬件初始化 */
     bsp_Init();
        
     /* 创建任务 */
     AppTaskCreate();
   
    /* 启动调度，开始执行任务 */
    vTaskStartScheduler();
     /*
       如果系统正常启动是不会运行到这里的，运行到这里极有可能是用于定时器任务或者空闲任务的
       heap空间不足造成创建失败，此要加大FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap大小：
       #define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
     */
     while(1);
}

硬件外设初始化
    硬件外设的初始化是在bsp.c文件实现：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: bsp_Init
*    功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
     /*
         由于ST固件库的启动文件已经执行了CPU系统时钟的初始化，所以不必再次重复配置系统时钟。
         启动文件配置了CPU主时钟频率、内部Flash访问速度和可选的外部SRAM FSMC初始化。
         系统时钟缺省配置为168MHz，如果需要更改，可以修改 system_stm32f4xx.c 文件
     */
     /* 保证睡眠模式下调试器继续可以连接使用 */
     DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP, ENABLE);
     /* 优先级分组设置为4，可配置0-15级抢占式优先级，0级子优先级，即不存在子优先级。*/
     NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
   
     SystemCoreClockUpdate();    /* 根据PLL配置更新系统时钟频率变量 SystemCoreClock */
     bsp_InitUart();    /* 初始化串口 */
     bsp_InitKey();     /* 初始化按键变量 */
     bsp_InitExtIO();   /* FMC总线上扩展了32位输出IO, 操作LED等外设必须初始化 */
     bsp_InitLed();     /* 初始LED指示灯端口 */
}

FreeRTOS任务创建：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppTaskCreate
*    功能说明: 创建应用任务
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate (void)
{
    xTaskCreate( vTaskTaskUserIF,   /* 任务函数  */
                 "vTaskUserIF",     /* 任务名    */
                 512,               /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,              /* 任务参数  */
                 1,                 /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskUserIF );  /* 任务句柄  */
   
   
     xTaskCreate( vTaskLED,           /* 任务函数  */
                 "vTaskLED",         /* 任务名    */
                 512,                /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,               /* 任务参数  */
                 2,                  /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskLED ); /* 任务句柄  */
   
     xTaskCreate( vTaskMsgPro,            /* 任务函数  */
                 "vTaskMsgPro",           /* 任务名    */
                 512,                     /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,                    /* 任务参数  */
                 3,                       /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskMsgPro );  /* 任务句柄  */
   
   
     xTaskCreate( vTaskStart,             /* 任务函数  */
                 "vTaskStart",            /* 任务名    */
                 512,                     /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,                    /* 任务参数  */
                 4,                       /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskStart );   /* 任务句柄  */
}

33.6   总结

    本章节主要为大家讲解了FreeRTOS本身支持的低功耗tickless模式，对于初学者来说，刚开始学习可能不是特别理解，随着后面自己有了一定的经验后就比较容易理解了，特别是tickless的实现方法。另外tickless模式不限制用户必须采用睡眠模式，采用停机模式也是可以的，官方只是为用户提供了一种参考方法。

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