第21章 RTX低功耗之睡眠模式

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客气，，，，，，，，

21.1.1 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，有两种选项可用于选择睡眠模式进入机制：
u SLEEP-NOW：如果SLEEPONEXIT位被清除，当WRI或WFE被执行时，微控制器立即进入睡眠模式。
u 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。
    小结：本章节配套的睡眠例子我们采用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，所有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RTX系统上，我们可以将WFI指令放到空闲任务里面实现。

21.1.2 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RTX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休眠态唤醒。

21.2 STM32F407睡眠模式介绍

    说明：在RTX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STM32F407参考手册和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。STM32F407有三个低功耗模式：
u 睡眠模式（Cortex™-M4F 内核停止，外设保持运行）
u 停止模式（所有时钟都停止）
u 待机模式（1.2 V 域断电）
    本章节我们主要讲解睡眠模式，而在实际的休眠模式编程时我需要清楚那些问题呢？请继续往下看。

21.2.1 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：
u 立即休眠：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。
u 退出时休眠：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。
    小结：本章节配套的休眠例子我们采用WFI指令进入睡眠模式，睡眠模式的进入机制是采用的立即休眠。因为系统复位上电后SLEEPONEXIT位是被清除的，所有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RTX系统上，我们可以将WFI指令放到空闲任务里面实现。

21.2.2 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RTX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休眠态唤醒。

21.3 低功耗模式的调试支持

    使用WFI和WFE可以进入低功耗模式。
    MCU支持多种低功耗模式，分别可以关闭CPU时钟，或降低CPU的能耗。内核不允许在调试期间关闭FCLK或HCLK。这些时钟对于调试操作是必要的，因此在调试期间，它们必须工作。MCU使用一种特殊的方式，允许用户在低功耗模式下调试代码。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。
u 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
u 在停止模式下，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。
    调用库函数：DBGMCU_Config(DBGMCU_STOP, ENABLE);即可

21.4 如何有效降低休眠模式下的功耗

    设计低功耗主要从以下几方面着手：
u  关闭可以关闭的外设时钟。
u  降低系统主频。
u  注意I/O的状态，因为休眠模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。
    l  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。
    l  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。
u  注意I/O和外设IC的连接。
u  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。

21.5 实验例程说明

21.5.1 STM32F103开发板实验

配套例子：
    V4-421_RTX实验_低功耗（睡眠模式）
实验目的：
    1.     学习RTX实验低功耗（睡眠模式）。
    2.     通过函数DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP,ENABLE);保证睡眠模式下调试器正常连接使用。
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.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。
    4.关于低功耗的说明：
       (1) STM32F10x有三种低功耗模式：
         a.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、系统时钟(SysTick)等仍在运行)
         b.停止模式(所有的时钟都已停止)
         c.待机模式(1.8V电源关闭)
       (2) 通过指令__WFI进入休眠模式，可以通过任意中断唤醒。
       (3) 降低系统主频或者关闭外设时钟也可有效降低系统功耗。
       (4) 进入低功耗状态前，设置使用的I/O引脚不产生拉电流和灌电流也可有效降低功耗。
    5. 本例程的低功耗实现方法是在空闲任务中调用__WFI指令来进入低功耗模式。未做关闭外设时钟和设置I/O引脚处理。在文件RTX_Conf_CM.C文件中的函数os_idle_demon里面调用函数__WFI。
    6.实际项目中推荐采用官方的tickless模式。

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：
    在休眠模式下，无法动态的查看任务的调试信息。下面的是单步调试时状态查看：

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：

外设初始化：
    注意新加的函数初始化函数DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP, ENABLE);保证睡眠模式下调试器正常连接使用。
复制代码
/*
/*
*********************************************************************************************************
*    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)
{
     /* 保证睡眠模式下调试器继续可以连接使用 */
     DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP, ENABLE);
   
     /* 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_InitLed();         /* 初始LED指示灯端口 */
     bsp_InitKey();         /* 初始化按键 */
}

RTX初始化：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    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);
}

RTX任务创建：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    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 */
}

睡眠模式在空闲任务实现，即配置向导文件RTX_Conf_CM.c文件中
复制代码
/*--------------------------- os_idle_demon ---------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"
__task void os_idle_demon (void) {
  /* The idle demon is a system task, running when no other task is ready */
  /* to run. The 'os_xxx' function calls are not allowed from this task.  */
  for (;;) {
  /* HERE: include optional user code to be executed when no task runs.*/
       __WFI();
  }
}

信号量的创建：
复制代码
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);
}

21.5.2 STM32F407开发板实验

配套例子：
    V5-421_RTX实验_低功耗（睡眠模式）
实验目的：
    1.     学习RTX实验低功耗（睡眠模式）。
    2.     通过函数DBGMCU_Config(DBGMCU_SLEEP,ENABLE);保证睡眠模式下调试器正常连接使用。
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.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。
    4.关于低功耗的说明：
       (1) STM32F407有三种低功耗模式：
        a.睡眠模式(Cortex-M4F内核停止，所有外设包括Cortex-M4F核心的外设，如NVIC、系统时钟(SysTick)等仍在运行)。
        b.停止模式(所有的时钟都已停止)。
        c.待机模式(1.2V电源关闭)。
       (2) 通过指令__WFI进入休眠模式，可以通过任意中断唤醒。
       (3) 降低系统主频或者关闭外设时钟也可有效降低系统功耗。
       (4) 进入低功耗状态前，设置使用的I/O引脚不产生拉电流和灌电流也可有效降低功耗。
    5.本例程的低功耗实现方法是在空闲任务中调用__WFI指令来进入低功耗模式。未做关闭外设时钟和设置I/O引脚处理。在文件RTX_Conf_CM.C文件中的函数os_idle_demon里面调用函数__WFI。
    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.在停止模式下，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。
l Run in privileged mode
    设置任务运行在非特权级模式

RTX任务调试信息：