第30章 FreeRTOS低功耗之睡眠模式

席萌0209

第30章      FreeRTOS低功耗之睡眠模式

      低功耗是MCU的一项重要的指标，比如某些可穿戴的设备，其携带的电量有限，如果整个电路消耗的电量特别大的话，就会经常出现电量不足的情况，影响用户体验。
     本章节为大家讲解STM32F103，STM32F407和STM32F429的低功耗方式之睡眠模式的一些知识点，第33章讲解FreeRTOS支持的tickless模式是睡眠模式的具体使用例子。
30.1 STM32F103睡眠模式介绍
30.2 STM32F4xx睡眠模式介绍
30.3 低功耗模式的调试支持
30.4 如何有效降低睡眠模式下的功耗
30.5      总结



30.1  STM32F103睡眠模式介绍  


      说明：在FreeRTOS系统上面实现睡眠方式仅需了解这里讲解的知识基本就够用了，更多睡眠方式的知识请看STM32F103参考手册和Cortex-M3权威指南。
      在系统或电源复位以后，微控制器处于运行状态。当CPU不需继续运行时，可以利用多种低功耗模式来节省功耗，例如等待某个外部事件时，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。
      STM32F103有三种低功耗模式：
    （1）睡眠模式(Cortex™-M3内核停止，所有外设包括Cortex-M3核心的外设，如NVIC、系统滴答定时器Systick等仍在运行)。
    （2）停机模式(所有的时钟都已停止)。
    （3）待机模式(1.8V电源关闭)。
      本章节我们主要讲解睡眠模式，而在实际的睡眠模式编程时我们需要清楚哪些问题呢？请继续往下看。

30.1.1 如何进入睡眠模式


      通过执行 WFI（等待中断）或WFE（等待事件）指令进入睡眠状态。根据Cortex™-M3系统控制寄存器中的SLEEPONEXIT位的值，可以通过两种方案选择睡眠模式进入机制：
    （1）SLEEP-NOW：如果SLEEPONEXIT位被清除，当WFI或WFE被执行时，微控制器立即进入睡眠模式。
    （2）SLEEP-ON-EXIT：如果SLEEPONEXIT位被置位，系统从最低优先级的中断处理程序中退出时，微控制器就立即进入睡眠模式。
       实际应用中我们采用WFI指令进入睡眠模式，睡眠模式的进入机制是采用的SLEEP-NOW。因为系统复位上电后SLEEPONEXIT位是被清除的，所以这个位也不需要专门的去设置。另外在睡眠模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。
      在FreeRTOS系统上，不使用tickless低功耗模式的话，我们可以将WFI指令放到空闲任务里面实现。不过，既然有了tickless模式，基本就不需要采用这种方法了。

30.1.2 如何退出睡眠模式


      由于我们是采用指令WFI进入睡眠模式，那么任意一个被嵌套向量中断控制器NVIC响应的外设中断都能将系统从睡眠模式唤醒。并且该模式唤醒所需的时间最短，因为没有时间损失在中断的进入或退出上。
      在FreeRTOS系统上，主要是周期性执行的系统滴答定时器中断会将系统从睡眠态唤醒，当然，其它的任意中断也可以将其从睡眠态唤醒。

席萌0209

30.2 STM32F4xx睡眠模式介绍


      说明：本小节的内容含STM32F407和STM32F429，在FreeRTOS系统上面实现睡眠方式仅需了解这里讲解的知识基本就够用了，更多睡眠方式的知识请看STM32F4xx参考手册和Cortex-M4权威指南。
      默认情况下，系统复位或上电复位后，微控制器进入运行模式。在运行模式下，CPU通过HCLK 提供时钟，并执行程序代码。系统提供了多个低功耗模式，可在CPU不需要运行时（例如等待外部事件时）节省功耗。由用户根据应用选择具体的低功耗模式，以在低功耗、短启动时间和可用唤醒源之间寻求最佳平衡。STM32F4xx有三个低功耗模式：
    （1）睡眠模式（Cortex™-M4F 内核停止，外设保持运行）
    （2）停机模式（所有时钟都停止）
    （3）待机模式（1.2 V 域断电）
      本章节我们主要讲解睡眠模式，而在实际的睡眠模式编程时我们需要清楚哪些问题呢？请继续往下看。

30.2.1 如何进入睡眠模式


      执行 WFI（等待中断）或WFE（等待事件）指令即可进入睡眠模式。根据 Cortex™-M4F 系统控制寄存器中SLEEPONEXIT 位的设置，可以通过两种方案选择睡眠模式进入机制：
（1）立即睡眠：如果SLEEPONEXIT 位清零， MCU将在执行WFI或WFE指令时立即进入睡眠模式
（2）退出时睡眠：如果SLEEPONEXIT位置1，MCU将在退出优先级最低的ISR时立即进入睡眠模式。
      实际应用中我们采用WFI指令进入睡眠模式，睡眠模式的进入机制是采用的立即睡眠。因为系统复位上电后SLEEPONEXIT位是被清除的，所以这个位也不需要专门的去设置。另外在睡眠模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。
      在FreeRTOS系统上，不使用tickless低功耗模式的话，我们可以将WFI指令放到空闲任务里面实现。不过，既然有了tickless模式，基本就不需要采用这种方法了。

30.2.2 如何退出睡眠模式


      由于我们是采用指令WFI进入睡眠模式，那么任意一个被嵌套向量中断控制器NVIC响应的外设中断都能将系统从睡眠模式唤醒。并且该模式唤醒所需的时间最短，因为没有时间损失在中断的进入或退出上。
      在FreeRTOS系统上，主要是周期性执行的系统滴答定时器中断会将系统从睡眠态唤醒，当然，其它的任意中断也可以将其从睡眠态唤醒。

席萌0209

30.3 低功耗模式的调试支持


      要进入低功耗模式需要调用指令WFI或WFE。
      STM32 支持多个低功耗模式，这些模式可以禁止CPU时钟或降低CPU功耗。内核不允许在调试期间关闭 FCLK 或 HCLK，因为调试期间需要使用它们进行调试连接，因此必须保持激活状态。STM32集成了特殊方法，允许用户在低功耗模式下调试软件。为实现这一功能，调试器必须先设置一些配置寄存器来改变低功耗模式的特性。
    （1）在睡眠模式下，调试器必须先置位DBGMCU_CR寄存器的DBG_SLEEP位。这将为HCLK提供与FCLK(由代码配置的系统时钟)相同的时钟。
                  调用库函数：DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP, ENABLE);即可
    （2）在停机模式下，调试器必须先置位DBG_STOP位。这将激活内部RC振荡器，在停止模式下为FCLK和HCLK提供时钟。
                  调用库函数：DBGMCU_Config(DBGMCU_STOP, ENABLE);即可

席萌0209

30.4 如何有效降低睡眠模式下的功耗


     设计低功耗主要从以下几方面着手：
    1、关闭可以关闭的外设时钟。
    2、降低系统主频。
    3、注意I/O的状态，因为睡眠模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。
      （1）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。
      （2）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。
    4、注意I/O和外设IC的连接。
    5、测试低功耗的时候，一定不要连接调试器，更不能边调试边测电流。

席萌0209

30.5 总结


     本章节主要为大家讲解了STM32低功耗之睡眠模式，学习了本章节内容后，可为第33章FreeRTOS的低功耗模式tickless的学习打下基础。