第三篇：RTOS 的进化 —— Tickless 模式与上下文保持

前两篇我们解决了“硬件怎么省电”的问题，现在压力给到了软件这边。

引入 RTOS（实时操作系统）是现代嵌入式开发的标配，但对于低功耗设计来说，传统的 RTOS 简直是一个**“恶魔”。因为它有一个必须存在的心跳机制 (Tick)**。

这就好比你只想好好睡一觉，但你的管家（RTOS）每隔 1 毫秒就跑过来摇醒你，问一句：“老板，有事要做吗？”如果没事，他又让你接着睡。哪怕你就在这种“睡1毫秒-醒10微秒”的折磨中度过，电量也会被这个管家败光。

这一篇，我们要控制这个“管家”，引入 Tickless 模式，并探讨在深度休眠下，软件如何保存记忆（Context）。

一、 传统 SysTick：低功耗的头号公敌

在 FreeRTOS 或 uCOS 中，为了维持任务调度和时间片轮转，通常会配置一个硬件定时器（SysTick），频率通常是 1000Hz（1ms 一次）。

• 物理代价：

  • 频繁唤醒： 每秒 1000 次唤醒。

  • 无效能耗： 每次唤醒包含：Flash 唤醒延迟 + ISR 入栈出栈 + 调度器检查 + 重新入睡。这些动作消耗的能量，往往比 CPU 真正干活的能量还多。

  • 阻碍深睡： 因为间隔只有 1ms，MCU 根本来不及进入深度的 Stop 模式（因为进入和退出的时间成本太高），只能停留在浅睡眠（Sleep Mode），此时高频时钟还在跑，功耗高达 mA 级别。

二、 救世主：Tickless Idle 模式

核心思想： “除非有事（任务到期或中断触发），否则别叫我。”

1. 工作原理

当 OS 发现当前没有就绪任务（Idle Task 正在运行）时，它会查看下一个最近的任务还需要多久才执行。

• 场景： 现在的任务列表全是 vTaskDelay，最早的一个也要 200ms 后才醒。

• 操作：

  1. 关闭 SysTick 中断（管家闭嘴）。

  2. 计算出需要休眠的时间：200ms。

  3. 设置一个低功耗定时器 (LPTIM/RTC)，定在 200ms 后响。

  4. CPU 进入深度休眠 (WFI -> Stop Mode)。

  5. 唤醒后： 读取低功耗定时器走了多久，补偿 (Compensate) OS 的系统 tick 计数器，让系统觉得仿佛那 200ms 只是瞬间过去的。

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三、 实战：STM32G0 的 Tickless 痛点

在 STM32G0 上实现 FreeRTOS 的 Tickless 并不像开启一个宏 configUSE_TICKLESS_IDLE 那么简单，这里有两个深坑。

1. SysTick 在 Stop 模式下会“死”

FreeRTOS 的默认 Tickless 实现是基于 SysTick 的。但是，STM32G0 进入 Stop 模式后，HCLK（高速时钟）会停止，SysTick 也就停了。

• 后果： 你的 CPU 睡死过去了，没人叫醒它（除非有外部中断）。

• 解决方案：重写 vPortSuppressTicksAndSleep

  必须抛弃 SysTick，改用 LPTIM (Low Power Timer) 或 RTC Wakeup Timer。

  • LPTIM 优势： 可以使用 LSE (32.768kHz) 或 LSI 作为时钟源，在 Stop 模式下继续计数。

  • STM32G0 特性： LPTIM 支持异步计数，哪怕没有 APB 总线时钟也能工作，唤醒后再同步。

2. 时钟补偿的精度 (Drift)

当你用 LPTIM 唤醒后，你需要告诉 OS：“刚才过去了 200 个 tick”。

但 LSE 的频率是 32.768kHz，而 SysTick 可能是 64MHz 分频来的。两者之间存在偏差。

• 算法挑战： 必须处理好整数换算和余数。如果长期运行，微小的误差累积会导致系统时间变慢（Drift）。

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四、 实战：RL78 的“傻瓜式” Tickless

相比于 STM32 需要自己写驱动去替换 SysTick，RL78 在硬件架构上对 Tickless 更友好。

1. Interval Timer (IT) 的天然优势

RL78 通常直接就用 Interval Timer (IT) 来做系统 Tick，而不是像 ARM 那样有一个内核级的 SysTick。

• 无缝衔接： IT 挂在 fIL (15kHz) 上。无论 CPU 是全速跑 (Run) 还是深度睡 (Stop)，IT 的时钟源从未改变。

• 实现：

  1. OS 发现要睡 200ms。

  2. 直接修改 IT 的比较寄存器，从 1ms (常规 tick) 改为 200ms 的计数值。

  3. 执行 STOP 指令。

  4. 唤醒后，把寄存器改回 1ms。

• 优势： 不需要像 STM32 那样在两个定时器（SysTick 和 LPTIM）之间倒腾和换算，逻辑极简。

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五、 深度进阶：上下文保持 (Context Restore)

如果为了极致省电，我们进入了 Standby (STM32) 模式，事情就变得复杂了。

1. 问题的本质：失忆

• Stop 模式 (G0/RL78)： RAM 数据保持不动，寄存器状态保持。唤醒 = 继续执行。这是做 Tickless 的首选。

• Standby 模式 (G0)： 只有 Backup Registers (几十个字节) 和 部分 SRAM (若配置保持) 活着。CPU 寄存器全部丢失。唤醒 = 复位 (Reset)。

2. 如何在 Standby 下“伪装”成没关机？

如果你的产品要在电池下跑 10 年，Stop 模式的 3µA 可能还是太高，你需要 Standby (0.1µA)。这时候 RTOS 怎么跑？

• 技术路线：

  1. 入睡前 (Pre-Sleep)： 将 RTOS 的关键数据（如 xTickCount，下一个任务的指针，堆栈指针 SP）保存到 Backup SRAM 或 Backup Registers 中。设置 RTC 闹钟。

  2. 唤醒复位 (Reset_Handler)：

     • 芯片复位第一件事，检查 PWR->SR 寄存器的 SBF (Standby Flag) 标志位。

     • 如果是冷启动： 跑正常的 main() 初始化。

     • 如果是唤醒： 跳过 C 库初始化（不要把 RAM 清零！），直接从 Backup 区域恢复 SP 指针，跳转回调度器。

• 难度： 极高。需要精通汇编启动文件 (.s)。通常不建议在跑复杂 RTOS 时使用 Standby，除非你的应用非常简单。

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六、 总结：软件策略的选择

场景	传统 SysTick	Tickless (Stop模式)	Tickless (Standby模式)
平均电流	mA 级	µA 级	nA 级
响应速度	快	中 (有唤醒延迟)	慢 (相当于重启)
RAM 数据	保持	保持	丢失 (需手动备份)
STM32G0 实现	默认	需改写 vPortSuppress 用 LPTIM	极难，需改启动文件
RL78/G23 实现	默认	简单，直接改 Interval Timer	简单 (RAM 默认保持)

推荐策略：

• 对于 STM32G0：使用 Tickless + Stop Mode 1。利用 LPTIM 唤醒。这是开发难度与功耗的最佳平衡点。

• 对于 RL78/G23：使用 Tickless + Stop Mode。得益于 RL78 在 Stop 模式下全 RAM 保持且功耗极低，通常不需要考虑更复杂的“掉电恢复”逻辑。

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