FreeRTOS—Tickless低功耗模式

一、低功耗模式

STM32 微控制器提供了多种低功耗模式，帮助开发者在需要时降低系统功耗，特别适用于电池供电或节能要求的应用场景。主要低功耗模式有三个：睡眠模式、停止模式、待机模式。

1.1.睡眠模式

特点：仅CPU停止工作，外设继续运行；任何中断或事件都可唤醒。
唤醒时间：最短，无时钟重启延迟。
功耗：中等

1.2.停止模式

特点：CPU和大部分时钟停止；保留SRAM和寄存器内容；可用外部中断、RTC闹钟等唤醒。
唤醒时间：中等，需要时钟重启。
功耗：较低

1.3.待机模式

特点：几乎关闭所有电路；仅保留备份域（如有RTC）；可用WKUP引脚、RTC闹钟等唤醒。
唤醒时间：最长，相当于复位重启。
功耗：最低

二、Tickless低功耗模式

2.1.简介

Tickless（无系统节拍） 是一种用于实时操作系统（RTOS，如FreeRTOS、RT-Thread等）的低功耗技术，它通过动态调整 SysTick 来减少不必要的 CPU 唤醒，从而降低功耗。Tickless 模式：当系统进入空闲状态时，RTOS 会计算下一个任务的最早唤醒时间，并暂时关闭 SysTick，让 CPU 进入低功耗状态（如睡眠模式）。在任务就绪前，再通过低功耗定时器（如RTC 或 LPTIM）唤醒 CPU。其实 Tickless 低功耗模式的本质是通过调用指令 WFI 实现睡眠模式。

2.2.详解

下面表格是基本低功耗模式和 Tickless 对比：

特性	低功耗模式	Tickless 模式
本质	STM32 硬件提供的多种省电状态	FreeRTOS 等 RTOS 的节能调度策略
层级	硬件层面	操作系统 / 软件层面
目的	通过关闭 / 降频硬件模块降低功耗	通过动态调整系统节拍减少不必要的中断

在任务运行时间统计实验中可以看出来，在整个系统运行过程中，其实大部分时间都是在执行空闲任务（是在系统中的所有其他任务都阻塞或被挂起时才运行的），如下图所示：

为了降低功耗，又不影响系统运行，可以在本该空闲任务执行期间，让 MCU 进入相应的低功耗模式；当其他任务准备运行的时候，唤醒 MCU 退出低功耗模式，但是进入低功耗之后，多久唤醒，下一个要运行的任务如何被准确唤醒？任何中断均可唤醒 MCU，若滴答定时器频繁中断则会影响低功耗的效果。这些问题可以这样解决：

• 将滴答定时器的中断周期修改为低功耗运行时间
• 推出低功耗之后，补上系统时钟节拍数

三、Tickless模式相关配置项

• 使能低功耗 Tickless 模式：configUSE_TICKLESS_IDLE
• 定义系统进入相应低功耗模式的最短时长：configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP
• 定义需要在系统进入低功耗模式之前执行的事务，例如：进入低功耗之前关闭外设时钟，以降低功耗：configPRE_SLEEP_PROCESSING(x)，需要自己在 FreeRTOSconfig.h 里面自己定义
• 定义需要在系统退出低功耗模式之后执行的事务，例如：退出低功耗之后开启被关闭的外设时钟，使系统能够正常运行：configPOST_SLEEP_PROCESSING(x)，需要自己在 FreeRTOSconfig.h 里面自己定义

四、实验

4.1.实验设计

在二值信号量的代码上，加入低功耗模式，最后对比这两个实验的功耗结果

4.2.软件设计

在 FreeRTOSconfig.h 里面的configUSE_TICKLESS_IDLE宏配置成 1：

#define configUSE_TICKLESS_IDLE                  1  

定义系统进入相应低功耗模式的最短时长的宏默认配置为 2：

#define configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP    2

接着在 FreeRTOSconfig.h 文件中找个位置定义下面函数：

#include "freertos_demo.h"
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING( x )		PRE_SLEEP_PROCESSING()
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING( x )	POSR_SLEEP_PROCESSING()

并在 freertos_demo.h 文件里声明这两个函数：

void PRE_SLEEP_PROCESSING(void);
void POST_SLEEP_PROCESSING(void);

在 freertos_demo.c 文件里，入口函数上面定义下面两个函数：

//进入低功耗模式前要关闭的事情
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();
}

//退出低功耗模式后需要打开的事情
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();
}

下图未使用低功耗模式，功耗为 1.059W：

下图使用低功耗模式，功耗为 0.980W