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低功耗Tickless

破碎的山岚2025/8/22大约 11 分钟RTOS

低功耗Tickless

MCU低功耗

这些是固定好了的，自己不能改动

模式功耗等级CPU状态外设状态唤醒方式特点
Sleep（睡眠）低CPU停止，外设继续工作所有时钟继续运行（可选）任意中断快速进入/退出，数据保持
Stop（停止）更低CPU和大部分时钟停止SRAM/寄存器保持外部中断、RTC、USART唤醒等功耗与恢复速度平衡
Standby（待机）最低CPU完全断电SRAM、寄存器丢失（除备份区）WKUP脚、RTC闹钟、复位等效“关机”，唤醒后重新启动程序

sleep模式

工作机制：

  • CPU 停止执行指令（即暂停运行）。
  • 外设仍然工作（比如 UART、ADC、定时器）。
  • 所有寄存器、RAM 内容保持不变。

唤醒来源：

  • 任意中断（EXTI、SysTick、USART、DMA…）
  • 唤醒后从中断返回继续执行。

典型用途：

  • 稍微省电，同时保持外设响应能力。
  • 比如在空闲循环里进入 Sleep，等待外设事件。
__WFI();   // Wait For Interrupt
__WFE();   //wait for event

当SCR寄存器的bit1(SLEEPONEXIT)为0时立即休眠,当为1的时候退出休眠

Stop模式

工作机制：

  • CPU 和主时钟（HCLK、PLL、HSI/HSE）全部停止。
  • SRAM 和寄存器内容保持。
  • LSI / LSE / RTC 可继续运行。
  • 可选主稳压器或低功耗稳压器。

唤醒来源：

  • 外部中断（EXTI）
  • RTC Alarm / Wakeup timer
  • USART / I2C 唤醒（部分芯片支持）

唤醒后：

  • 需要重新配置时钟系统（如重新使能 PLL）。
  • 程序从唤醒点继续运行。

典型用途：

  • 电池设备中长时间等待事件但仍需快速恢复的场合。
HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
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Standby模式

HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();

工作机制：

  • 所有时钟关闭。
  • CPU 和主 SRAM 断电。
  • RTC 和备份寄存器保持。
  • 唤醒相当于上电复位。

唤醒来源：

  • 外部唤醒引脚（WKUP1~WKUPx）
  • RTC Alarm / Wakeup
  • IWDG（独立看门狗）
  • NRST 复位

唤醒后：

  • 从系统复位开始（程序重新执行 main()）。
  • 可通过备份寄存器判断是否是“待机唤醒”。

典型用途：

  • 极限节能、长时间待机的设备（如手环、传感节点）。
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FreeRTOS降低低功耗

这个可以在进入低功耗和退出低功耗自定义外设

extern void PreSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime);

extern void PostSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime);

//进入低功耗模式前需要处理的事情
//ulExpectedIdleTime：低功耗模式运行时间
void PreSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime)
{
	//关闭某些低功耗模式下不使用的外设时钟
	__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();
	__HAL_RCC_GPIOH_CLK_DISABLE();  
}

//退出低功耗模式以后需要处理的事情
//ulExpectedIdleTime：低功耗模式运行时间
void PostSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime)
{
	//退出低功耗模式以后打开那些被关闭的外设时钟
	__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();
	__HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();                
}

CPU大部分时间都在执行空闲任务，所以考虑当处理器执行空闲任务的时候进入低功耗模式。一般会在空闲任务的钩子函数里面低功耗处理逻辑。

理想情况：在空闲里低功耗，其他和之前一样不变

问题1：滴答定时器中断会周期性的唤醒处理器，效果会打折扣

解决：引出Tickless模式，当进入空闲任务周期后就延长SysTick中断，其他中断发生时才会被唤醒

问题2：系统时钟中断被延长，就算任务在中断里被唤醒，他不会算上在空闲任务里的时间，任务的时序就混乱了，不正常

解决：开一个定时器，记录下在空闲任务里睡着的时间，在任务被唤醒时加上补偿的时间

问题3：要将CPU唤醒现在只有中断，任务怎么和中断一样把CPU从低功耗唤醒？

解决：开一个定时器，周期设置为任务的时间值，时间一到就中断唤醒CPU

总结：进入低功耗记录时间点，关闭SYStick，设置好定时器周期；定时器中断一产生，任务就被唤醒，时钟也补偿好了

具体实现

先置1

#define configUSE_TICKLESS_IDLE					1                       //1启用低功耗tickless模式

Tickless模式启动条件（两个条件必须同时满足）：

  1. 只有空闲任务在运行 - 其他所有任务都在阻塞或挂起状态
  2. 预计睡眠时间足够长 - 至少要睡够 configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP 个tick（默认2个）
#ifndef configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP
	#define configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP 2
#endif
空闲任务运行
    ↓
检查：是否只有我在运行？ 是 → 检查：能睡多久？
    ↓  
如果睡眠时间 > 2个tick → 调用 portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP(xExpectedIdleTime)
    ↓
进入真正的低功耗睡眠
    ↓
定时器在xExpectedIdleTime时间后唤醒系统
  • xExpectedIdleTime：这是最重要的参数，表示"还能睡多久"
    • 计算方式：下一个任务唤醒时间 - 当前时间
    • 单位：时钟节拍数(tick)
    • 例子：如果下一个任务50ms后要运行，tick周期1ms，那么 xExpectedIdleTime = 50

对于STM32用户：

  • 不用自己写 portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP() 函数
  • FreeRTOS已经为Cortex-M芯片提供了现成的实现
  • 只需要配置 configUSE_TICKLESS_IDLE = 1 即可

简单理解

就像你午睡：

  • 条件1：手头没工作（只有空闲任务运行）
  • 条件2：能睡至少2小时以上才值得躺下（睡眠时间>2个tick）
  • 闹钟：设好下次开会的时间（xExpectedIdleTime）
  • 睡觉：进入低功耗模式
  • 唤醒：闹钟响，起来继续工作

底层调用

#if configUSE_TICKLESS_IDLE == 1

/**
 * @brief  FreeRTOS Tickless Idle 模式下的睡眠函数（弱定义，可用户重写）
 * 
 * 当系统检测到任务空闲，可以连续空闲 xExpectedIdleTime 个 tick 时，
 * 就会调用该函数，让 MCU 进入低功耗状态（比如睡眠或停止模式）。
 * 
 * Tickless 的核心思想：暂停 SysTick 中断计时器，让 CPU 进入睡眠；
 * 醒来后补偿系统的 Tick 计数，从而保持时间连续。
 */
__weak void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
{
    uint32_t ulReloadValue;                  // SysTick 的重装载值（表示要睡多久）
    uint32_t ulCompleteTickPeriods;          // 实际经过的完整 tick 数
    uint32_t ulCompletedSysTickDecrements;   // SysTick 递减次数
    uint32_t ulSysTickCTRL;                  // SysTick 控制寄存器临时变量
    TickType_t xModifiableIdleTime;

    /*-----------------------------------------------------------
     * ① 限制最大可睡眠时间，防止溢出
     *-----------------------------------------------------------*/
    if( xExpectedIdleTime > xMaximumPossibleSuppressedTicks )
    {
        xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks;
    }

    /*-----------------------------------------------------------
     * ② 暂时关闭 SysTick 计数器
     *   （因为我们要自己计算时间，不让它继续中断）
     *-----------------------------------------------------------*/
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG &= ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;

    /*-----------------------------------------------------------
     * ③ 计算 SysTick 的重装载值（休眠时间）
     *   - 减 1 是因为当前 tick 周期已经走了一部分
     *-----------------------------------------------------------*/
    ulReloadValue = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG
                  + ( ulTimerCountsForOneTick * ( xExpectedIdleTime - 1UL ) );

    /* 停止 SysTick 带来的误差补偿 */
    if( ulReloadValue > ulStoppedTimerCompensation )
    {
        ulReloadValue -= ulStoppedTimerCompensation;
    }

    /*-----------------------------------------------------------
     * ④ 进入临界区（不使用 taskENTER_CRITICAL）
     *   - 因为要保留能唤醒的中断
     *-----------------------------------------------------------*/
    __disable_irq();
    __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
    __isb( portSY_FULL_READ_WRITE );

    /*-----------------------------------------------------------
     * ⑤ 检查是否允许进入低功耗模式
     *   若有任务待调度/被唤醒，就取消睡眠
     *-----------------------------------------------------------*/
    if( eTaskConfirmSleepModeStatus() == eAbortSleep )
    {
        /* 恢复 SysTick 正常运行 */
        portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;
        portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;
        portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
        __enable_irq();
    }
    else
    {
        /*-------------------------------------------------------
         * ⑥ 设置 SysTick 的新 reload 值并清零当前计数
         *-------------------------------------------------------*/
        portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulReloadValue;
        portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;

        /* 重新启动 SysTick */
        portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;

        /*-------------------------------------------------------
         * ⑦ 准备进入睡眠模式
         *-------------------------------------------------------*/
        xModifiableIdleTime = xExpectedIdleTime;
        configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime ); // 用户自定义：可在这里关闭外设等省电动作

        if( xModifiableIdleTime > 0 )
        {
            /* 执行 WFI 指令 —— 等待中断唤醒 */
            __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
            __wfi();
            __isb( portSY_FULL_READ_WRITE );
        }

        configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime ); // 唤醒后的用户自定义钩子函数

        /*-------------------------------------------------------
         * ⑧ 醒来后：再次停止 SysTick（准备补偿时间）
         *-------------------------------------------------------*/
        ulSysTickCTRL = portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG;
        portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( ulSysTickCTRL & ~portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );

        /* 重新打开中断 */
        __enable_irq();

        /*-------------------------------------------------------
         * ⑨ 判断是谁唤醒的（Tick 中断 or 其他中断）
         *-------------------------------------------------------*/
        if( ( ulSysTickCTRL & portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT ) != 0 )
        {
            /* 情况A：SysTick 自己超时唤醒 */
            uint32_t ulCalculatedLoadValue;

            ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL )
                                  - ( ulReloadValue - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG );

            /* 防止负数或太小的 reload 值 */
            if( ( ulCalculatedLoadValue < ulStoppedTimerCompensation )
             || ( ulCalculatedLoadValue > ulTimerCountsForOneTick ) )
            {
                ulCalculatedLoadValue = ( ulTimerCountsForOneTick - 1UL );
            }

            portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulCalculatedLoadValue;

            /* 已完成的 tick = 期望值 - 1 */
            ulCompleteTickPeriods = xExpectedIdleTime - 1UL;
        }
        else
        {
            /* 情况B：被其他中断提前唤醒 */
            ulCompletedSysTickDecrements = ( xExpectedIdleTime * ulTimerCountsForOneTick )
                                         - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG;

            /* 计算经过了多少完整 tick */
            ulCompleteTickPeriods = ulCompletedSysTickDecrements / ulTimerCountsForOneTick;

            /* 设置下一个 reload 值，补齐剩余 tick */
            portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG =
                ( ( ulCompleteTickPeriods + 1UL ) * ulTimerCountsForOneTick )
                - ulCompletedSysTickDecrements;
        }

        /*-------------------------------------------------------
         * ⑩ 恢复 SysTick 正常运行 + 同步系统时钟
         *-------------------------------------------------------*/
        portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
        portENTER_CRITICAL();
        {
            portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG |= portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT;

            /* 补偿系统 Tick 计数器，让时间保持正确 */
            vTaskStepTick( ulCompleteTickPeriods );

            /* 恢复 SysTick 的标准重装载值 */
            portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulTimerCountsForOneTick - 1UL;
        }
        portEXIT_CRITICAL();
    }
}

#endif /* #if configUSE_TICKLESS_IDLE */
flowchart TD

A[开始：vPortSuppressTicksAndSleep(xExpectedIdleTime)] --> B[判断 xExpectedIdleTime 是否超过最大可抑制tick数]
B -->|是| C[限制 xExpectedIdleTime = xMaximumPossibleSuppressedTicks]
B -->|否| D[继续]

C --> D[停止SysTick计数器，防止计数期间进入睡眠]
D --> E[计算新的 SysTick 重装值 (ulReloadValue)]
E --> F[关中断 __disable_irq()，防止睡眠过程被打断]

F --> G[调用 eTaskConfirmSleepModeStatus() 检查是否允许进入低功耗]
G -->|返回 eAbortSleep| H[放弃睡眠：恢复SysTick计数并退出]
G -->|允许进入低功耗| I[设置新的SysTick重装值，清零当前计数器]

I --> J[重新启动SysTick计数器]
J --> K[调用 configPRE_SLEEP_PROCESSING() 进入前预处理钩子函数]
K --> L[执行 __WFI() 等待中断唤醒（若xModifiableIdleTime>0）]
L --> M[调用 configPOST_SLEEP_PROCESSING() 后处理钩子函数]

M --> N[停止 SysTick，读取控制寄存器]
N --> O[开中断 __enable_irq()]

O --> P{判断是否SysTick中断唤醒}
P -->|是| Q[计算新的装载值，说明Tick中断已发生]
P -->|否| R[计算睡眠时长对应的完整Tick数]

Q --> S[重装SysTick计数器，修正Tick步进]
R --> S[重装SysTick计数器，修正Tick步进]

S --> T[进入临界区 portENTER_CRITICAL()]
T --> U[重新启动SysTick，更新任务节拍 vTaskStepTick()]
U --> V[退出临界区 portEXIT_CRITICAL()]
V --> W[结束函数，恢复到正常运行状态]

低功耗管理相关配置

//进入低功耗模式前需要处理的事情
//ulExpectedIdleTime：低功耗模式运行时间
void PreSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime)
{
	//关闭某些低功耗模式下不使用的外设时钟
	__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();
	__HAL_RCC_GPIOH_CLK_DISABLE();  
}

//退出低功耗模式以后需要处理的事情
//ulExpectedIdleTime：低功耗模式运行时间
void PostSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime)
{
	//退出低功耗模式以后打开那些被关闭的外设时钟
	__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();
	__HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();                
}

重点：配置步骤

第一步：修改 FreeRTOSConfig.h 宏定义

这是开关，必须在配置文件中开启。

/* 1. 启用 Tickless 模式 */
/* 
   0 = 关闭（默认）
   1 = 使用 FreeRTOS 自带的默认实现（基于 SysTick，仅支持轻度睡眠 Sleep Mode）
   2 = 用户自定义实现（通常用于深度睡眠 Stop Mode，需要用 LPTIM 或 RTC）
*/
#define configUSE_TICKLESS_IDLE                 1

/* 2. 设置进入低功耗的最小阈值 */
/* 
   只有当空闲时间大于这个值（Tick数）时，才进入低功耗。
   如果只空闲 1ms，进入睡眠的开销比省下的电还多，就不睡了。
   通常设为 2 到 5。
*/
#define configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP   2

/* 3. 定义睡前和醒后的处理宏（可选但推荐） */
/* 
   这两个宏会在进入睡眠指令（WFI）执行前后被自动调用。
   你可以在这里关闭外设时钟、降低主频等。
*/
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING( x )         PreSleepProcessing( x )
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING( x )        PostSleepProcessing( x )

第二步：实现睡前/醒后的处理函数（关键）

在你的 main.c 或专门的 power_management.c 中实现上面定义的宏函数。这是你控制硬件去“关灯”的地方。

/* 进入睡眠前被调用 */
void PreSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime)
{
    // 1. 关闭不用的外设时钟（GPIO, UART, ADC等）以省电
    // 2. 如果是 STM32，可以在这里把 Flash 掉电
    // 3. 甚至可以降低系统主频
    
    // 这里的 xModifiableIdleTime 是个指针，你甚至可以修改它来强制缩短睡眠时间
    // 但通常不需要动
    
    // (仅作示例，STM32 HAL库)
    // HAL_SuspendTick(); // 停止 HAL 库的 Tick，防止它唤醒
}

/* 醒来后立刻被调用 */
void PostSleepProcessing(uint32_t ulExpectedIdleTime)
{
    // 1. 恢复外设时钟
    // 2. 恢复 Flash 供电
    // 3. 恢复主频
    
    // (仅作示例)
    // HAL_ResumeTick(); 
}

第三步：理解底层实现（port.c）

如果你把 configUSE_TICKLESS_IDLE 设为 1，FreeRTOS 会自动编译 port.c 中的 vPortSuppressTicksAndSleep() 函数。

它的默认逻辑是：

  1. 关中断： 防止被打断。
  2. 算时间： 计算 SysTick 还需要数多少下才能到下一个任务的时间点。
  3. 伪装停 SysTick： 重新配置 SysTick 的重装载值（Reload Value）为最大值，让它不要频繁中断。
  4. 执行 WFI： 执行汇编指令 wfi (Wait For Interrupt)。此时 CPU 停止运行，时钟停止，进入 Sleep 模式。
  5. 唤醒： 当定时时间到（或者有外部中断按键按下），CPU 醒来。
  6. 补时间： 看看睡了多久，把 OS 的系统时间变量 xTickCount 加上去，假装中间的时间正常流逝了。

第四步：进阶——实现深度睡眠（Stop Mode）

注意： 默认的 configUSE_TICKLESS_IDLE = 1 只能实现 Sleep Mode（CPU 停，外设不停，SysTick 不停）。如果你要实现 Stop Mode（主时钟 HSI/HSE 都会停掉，电流降到 uA 级别），默认实现就不行了，因为 SysTick 没时钟会挂掉。

你需要：

  1. 将 configUSE_TICKLESS_IDLE 设为 2。

  2. 自己重写 vPortSuppressTicksAndSleep() 函数。

  3. 使用 LPTIM (低功耗定时器) 或 RTC (实时时钟) 来唤醒，因为它们在 Stop 模式下还能走字。

    自定义伪代码

void vPortSuppressTicksAndSleep( TickType_t xExpectedIdleTime )
{
    // 1. 停掉 SysTick
    // 2. 配置 LPTIM，让它在 xExpectedIdleTime 后中断
    // 3. 启动 LPTIM
    
    // 4. 进入 STOP 模式 (这是最省电的一步)
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    
    // 5. ... 睡着了 ... Zzz ...
    
    // 6. 醒来！(通常是因为 LPTIM 中断或者外部引脚中断)
    
    // 7. 恢复系统时钟 (因为 Stop 模式唤醒后默认是内部低速时钟，必须切回高速)
    SystemClock_Config(); 
    
    // 8. 修正 xTickCount (补回睡着的时间)
    // 9. 重新启动 SysTick
}
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贡献者: 扶柳人间()