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第23章 RTX低功耗之待机模式
低功耗是MCU的一项非常重要的指标,本章节为大家讲解STM32F103和STM32F407的低功耗方式之待机模式在RTX操作系统上面的实现方法(RTX本身支持的tickless低功耗模式在第24章节讲解)
本章教程配套的例子含Cortex-M3内核的STM32F103和Cortex-M4内核的STM32F407。
23.1 STM32F103待机模式介绍
23.2 STM32F407待机模式介绍
23.3 实验例程说明
23.4 总结
23.1 STM32F103待机模式介绍
说明:在RTX系统上面实现待机方式仅需了解这里讲解的知识基本就够用了,更多休眠方式的知识请看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:
u 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)。
u 停止模式(所有的时钟都已停止)。
u 待机模式(1.8V电源关闭)。
本章节我们主要讲解待机模式,待机模式可实现系统的最低功耗。该模式是在Cortex-M3深睡眠模式时关闭电压调节器。整个1.8V供电区域被断电。PLL、HSI和HSE振荡器也被断电。SRAM和寄存器内容丢失,只有备份的寄存器和待机电路维持供电。
在实际的待机模式编程时需要清楚那些问题呢? 请继续往下看。
23.1.1 STM32F103如何进入待机模式
在RTX系统中,让STM32进入待机模式比较容易,调用固件库函数PWR_EnterSTANDBYMode即可。
23.1.2 STM32F103如何退出待机模式
让STM32从待机模式唤醒可以通过外部复位(NRST引脚)、IWDG复位、WKUP引脚上的上升沿或RTC闹钟事件的上升沿。从待机唤醒后,除了电源控制/状寄存器,所有寄存器被复位。
从待机模式唤醒后的代码执行等同于复位后的执行。电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)将会指示内核由待机状态退出。
在开发板上面是通过K2按键来唤醒,K2按键使用的引脚就是WKUP引脚。
23.1.3 STM32F103使用待机模式注意事项
待机模式要注意以下问题:
u 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:
l 复位引脚(始终有效)。
l 当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚。
l 被使能的唤醒引脚。
23.2 STM32F407待机模式介绍
说明:在RTX系统上面实现待机方式仅需了解这里讲解的知识基本就够用了,更多休眠方式的知识请看STM32F407参考手册和Cortex-M4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。
STM32F407有三种低功耗模式:
u 睡眠模式(Cortex™-M4F内核停止,所有外设包括Cortex-M4核心的外设,如NVIC、系统滴答定时器Systick等仍在运行)。
u 停止模式(所有的时钟都已停止)。
u 待机模式(1.2V电源关闭)。
本章节我们主要讲解待机模式,待机模式下可达到最低功耗。待机模式基于Cortex™-M4F深度睡眠模式,其中调压器被禁止。因此1.2 V域断电。PLL、HSI振荡器和HSE 振荡器也将关闭。除备份域RTC寄存器、RTC备份寄存器和备份SRAM)和待机电路中的寄存器外,SRAM 和寄存器内容都将丢失。
在实际的待机模式编程时需要清楚那些问题呢? 请继续往下看。
23.2.1 STM32F407如何进入待机模式
在RTX系统中,让STM32进入待机模式比较容易,调用固件库函数PWR_EnterSTANDBYMode即可。
23.2.2 STM32F407如何退出待机模式
让STM32从待机模式唤醒可以通过外WKUP 引脚上升沿、RTC闹钟(闹钟A和闹钟B)、RTC唤醒事件、RTC入侵事件、RTC 时间戳事件、NRST引脚外部复位和IWDG 复位,唤醒后除了电源控制/状寄存器,所有寄存器被复位。
从待机模式唤醒后,程序将按照复位(启动引脚采样、复位向量已获取等)后的方式重新执行。PWR 电源控制/ 状态寄存器(PWR_CSR)中的SBF状态标志指示MCU已处于待机模式。
在开发板上面是通过K2按键来唤醒,K2按键使用的引脚就是RTC入侵事件检测引脚PC13。
23.2.3 STM32F407使用待机模式注意事项
待机模式要注意以下问题:
u 将选择的待机模式唤醒源(RTC闹钟A、RTC闹钟B、RTC唤醒、RTC入侵或RTC时间戳标志)对应的RTC标志清零,防止无法正常进入待机模式。
u 待机模式下的 I/O 状态
l 复位引脚(仍可用)。
l RTC_AF1 引脚 (PC13)(如果针对入侵、时间戳、RTC闹钟输出或RTC时钟校准输出进行了配置)。
l WKUP引脚 (PA0)(如果使能)。
23.3 实验例程说明
23.3.1 STM32F103开发板实验
配套例子:
V4-423_RTX实验_低功耗(待机模式)
实验目的:
1. 学习RTX实验低功耗(待机模式)。
实验内容:
1. K1按键按下,串口打印。
2. K2键按下,直接发送信号量同步信号给任务AppTaskMsgPro,任务AppTaskMsgPro接收到消息后进行消息处理。K2按键还有一个功能就是将系统从待机模式唤醒。
3. K3按键按下,系统进入到待机模式。
4. 各个任务实现的功能如下:
AppTaskUserIF任务 :按键消息处理。
AppTaskLED任务 :LED闪烁。
AppTaskMsgPro任务 :消息处理,等待任务AppTaskUserIF发来的信号量同步信号。
AppTaskStart任务 :启动任务,也是最高优先级任务,这里实现按键扫描。
5. 关于低功耗的说明:
(1) 待机模式可实现系统的最低功耗。该模式是在Cortex-M3深睡眠模式时关闭电压调节器整个1.8V供电区域被断电。PLL、HSI和HSE振荡器也被断电。SRAM和寄存器内容丢失。只有备份的寄存器和待机电路维持供电。
(2) 从待机模式唤醒后的代码执行等同于复位后的执行。
6. 实际项目中推荐采用官方的tickless模式。
设计低功耗主要从以下几个方面着手:
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:
● 复位引脚(始终有效)。
● 当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚。
● 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。
RTX配置:
RTX配置向导详情如下:
u Task Configuration
l Number of concurrent running tasks
允许创建4个任务,实际创建了如下四个任务:
AppTaskUserIF任务 :按键消息处理。
AppTaskLED任务 :LED闪烁。
AppTaskMsgPro任务 :消息处理,等待任务AppTaskUserIF发来的消息邮箱数据。
AppTaskStart任务 :启动任务,也是最高优先级任务,这里实现按键扫描。
l Number of tasks with user-provided stack
创建的4个任务都是采用自定义堆栈方式。
RTX任务调试信息:
程序设计:
u 任务栈大小分配:
staticuint64_t AppTaskUserIFStk[512/8]; /* 任务栈 */
staticuint64_t AppTaskLEDStk[256/8]; /* 任务栈 */
staticuint64_t AppTaskMsgProStk[512/8]; /* 任务栈 */
staticuint64_t AppTaskStartStk[512/8]; /* 任务栈 */
将任务栈定义成uint64_t类型可以保证任务栈是8字节对齐的,8字节对齐的含义就是数组的首地址对8求余等于0。如果不做8字节对齐的话,部分C语言库函数,浮点运算和uint64_t类型数据运算会出问题。
u 系统栈大小分配:
u 外设初始化:
使能WKUP引脚PA0,用于将系统从待机模式唤醒。在bsp.c文件里面调用。
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 函 数 名: bsp_Init
- * 功能说明: 初始化硬件设备。只需要调用一次。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。
- * 全局变量。
- * 形 参: 无
- * 返 回 值: 无
- *********************************************************************************************************
- */
- void bsp_Init(void)
- {
- /* 优先级分组设置为4, 优先配置好NVIC */
- NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
-
- RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
-
- /* 使能WKUP 引脚PA0,用于将系统从待机模式唤醒 */
- PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE);
-
- bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
- bsp_InitLed(); /* 初始LED指示灯端口 */
- bsp_InitKey(); /* 初始化按键 */
-
- }
复制代码 u RTX初始化:
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 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)
- {
- /* 初始化外设 */
- bsp_Init();
-
- /* 创建启动任务 */
- os_sys_init_user (AppTaskStart, /* 任务函数 */
- 4, /* 任务优先级 */
- &AppTaskStartStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskStartStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
- while(1);
- }
复制代码 u RTX任务创建:
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 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)
- {
- HandleTaskUserIF = os_tsk_create_user(AppTaskUserIF, /* 任务函数 */
- 1, /* 任务优先级 */
- &AppTaskUserIFStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskUserIFStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
-
- HandleTaskLED = os_tsk_create_user(AppTaskLED, /* 任务函数 */
- 2, /* 任务优先级 */
- &AppTaskLEDStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskLEDStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
-
- HandleTaskMsgPro = os_tsk_create_user(AppTaskMsgPro, /* 任务函数 */
- 3, /* 任务优先级 */
- &AppTaskMsgProStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskMsgProStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
- }
复制代码 u 信号量创建:
- static OS_SEM semaphore;
-
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 函 数 名: AppObjCreate
- * 功能说明: 创建任务通信机制
- * 形 参: 无
- * 返 回 值: 无
- *********************************************************************************************************
- */
- static void AppObjCreate (void)
- {
- /* 创建信号量计数值是0, 用于任务同步 */
- os_sem_init (&semaphore, 0);
- }
复制代码 u 四个RTX任务的实现:
23.3.2 STM32F407开发板实验
配套例子:
V5-423_RTX实验_低功耗(待机模式)
实验目的:
1. 学习RTX实验低功耗(待机模式)。
实验内容:
1. K1按键按下,串口打印。
2. K2键按下,直接发送信号量同步信号给任务AppTaskMsgPro,任务AppTaskMsgPro接收到消息后进行消息处理。
3. K2按键还有一个功能是将系统从待机模式唤醒,唤醒方式是用过K2按键对应的引脚PC13检测RTC的入侵事件。
4. K3按键按下,系统进入到待机模式。
5. 各个任务实现的功能如下:
AppTaskUserIF任务 :按键消息处理。
AppTaskLED任务 :LED闪烁。
AppTaskMsgPro任务 :消息处理,等待任务AppTaskUserIF发来的信号量同步信号。
AppTaskStart任务 :启动任务,也是最高优先级任务,这里实现按键扫描。
6. 关于低功耗的说明:
(1) 待机模式可实现系统的最低功耗。该模式是在Cortex-M4F深睡眠模式时关闭电压调节器整个1.2V供电区域被断电。PLL、HSI和HSE振荡器也被断电。SRAM和寄存器内容丢失。只有备份的寄存器和待机电路维持供电。
(2) 从待机模式唤醒后的代码执行等同于复位后的执行。
7. 实际项目中推荐采用官方的tickless模式。
设计低功耗主要从以下几个方面着手:
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:
● 复位引脚(仍可用)。
● RTC_AF1 引脚 (PC13)(如果针对入侵、时间戳、 RTC 闹钟输出或 RTC 时钟校准输出进行了配置)。
● WKUP 引脚 (PA0)(如果使能)。
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。
RTX配置:
RTX配置向导详情如下:
u Task Configuration
l Number of concurrent running tasks
允许创建4个任务,实际创建了如下四个任务:
AppTaskUserIF任务 :按键消息处理。
AppTaskLED任务 :LED闪烁。
AppTaskMsgPro任务 :消息处理,等待任务AppTaskUserIF发来的消息邮箱数据。
AppTaskStart任务 :启动任务,也是最高优先级任务,这里实现按键扫描。
l Number of tasks with user-provided stack
创建的4个任务都是采用自定义堆栈方式。
RTX任务调试信息:
程序设计:
u 任务栈大小分配:
staticuint64_t AppTaskUserIFStk[512/8]; /* 任务栈 */
staticuint64_t AppTaskLEDStk[256/8]; /* 任务栈 */
staticuint64_t AppTaskMsgProStk[512/8]; /* 任务栈 */
staticuint64_t AppTaskStartStk[512/8]; /* 任务栈 */
将任务栈定义成uint64_t类型可以保证任务栈是8字节对齐的,8字节对齐的含义就是数组的首地址对8求余等于0。如果不做8字节对齐的话,部分C语言库函数,浮点运算和uint64_t类型数据运算会出问题。
u 系统栈大小分配:
u RTX初始化:
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 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)
- {
- /* 初始化外设 */
- bsp_Init();
-
- /* 创建启动任务 */
- os_sys_init_user (AppTaskStart, /* 任务函数 */
- 4, /* 任务优先级 */
- &AppTaskStartStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskStartStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
- while(1);
- }
复制代码 u RTX任务创建:
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 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)
- {
- HandleTaskUserIF = os_tsk_create_user(AppTaskUserIF, /* 任务函数 */
- 1, /* 任务优先级 */
- &AppTaskUserIFStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskUserIFStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
-
- HandleTaskLED = os_tsk_create_user(AppTaskLED, /* 任务函数 */
- 2, /* 任务优先级 */
- &AppTaskLEDStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskLEDStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
-
- HandleTaskMsgPro = os_tsk_create_user(AppTaskMsgPro, /* 任务函数 */
- 3, /* 任务优先级 */
- &AppTaskMsgProStk, /* 任务栈 */
- sizeof(AppTaskMsgProStk)); /* 任务栈大小,单位字节数 */
- }
复制代码 u 信号量创建:
- static OS_SEM semaphore;
-
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 函 数 名: AppObjCreate
- * 功能说明: 创建任务通信机制
- * 形 参: 无
- * 返 回 值: 无
- *********************************************************************************************************
- */
- static void AppObjCreate (void)
- {
- /* 创建信号量计数值是0, 用于任务同步 */
- os_sem_init (&semaphore, 0);
- }
复制代码 u K2按键(PC13引脚)RTC入侵事件检测的实现,在bsp.c文件中:
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 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)
- {
- /* 优先级分组设置为4, 优先配置好NVIC */
- NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
-
- bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
- bsp_InitKey(); /* 初始化按键变量(必须在 bsp_InitTimer() 之前调用) */
-
- /* 针对不同的应用程序,添加需要的底层驱动模块初始化函数 */
- bsp_InitLed(); /* 初始LED指示灯端口 */
-
- bsp_rtctamper();
- }
-
- /*
- *********************************************************************************************************
- * 函 数 名: bsp_rtctamper
- * 功能说明: 配置RTC的入侵事件来唤醒待机模式,另外用户不需要写入侵中断函数。
- * 因为系统进入到待机模式后,检测到入侵事件后系统的执行过程等同于进行复位。
- * 形 参: 无
- * 返 回 值: 无
- *********************************************************************************************************
- */
- static void bsp_rtctamper(void)
- {
- NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
- EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
-
- /* 使能PWR时钟 */
- RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
-
- /* 允许访问RTC */
- PWR_BackupAccessCmd(ENABLE);
-
- /* 选择RTC时钟源 LSI */
- RCC_LSICmd(ENABLE);
- while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) != RESET);
- RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSI);
-
- /* 使能外部中断 */
- EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line21);
- EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line21;
- EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Event;
- EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
- EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
- EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
-
- /* 使能中断通道 TAMPER */
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TAMP_STAMP_IRQn;
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
- NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
-
- /* 禁止Tamper 1检测 */
- RTC_TamperCmd(RTC_Tamper_1, DISABLE);
-
- RTC_ClearFlag(RTC_FLAG_TAMP1F);
- RTC_TamperTriggerConfig(RTC_Tamper_1, RTC_TamperTrigger_FallingEdge);
- RTC_ITConfig(RTC_IT_TAMP, ENABLE);
- RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_TAMP1);
-
- /* 使能 Tamper 1 detection */
- RTC_TamperCmd(RTC_Tamper_1, ENABLE);
- }
复制代码 u 四个RTX任务的实现:
23.4 总结
本章节主要为大家讲解了RTX低功耗之待机模式,这里仅是提供了一种待机模式在RTX上的实现思路,有兴趣的同学也可以想一些其它的实现思路。 |
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