本节我们来讲讲FreeRTOS的低功耗模式——tickless的相关知识。

Tickless在许多小型RTOS中都有应用，是一种通用的实现低功耗的方法；需要注意的是，Tickless只是操作系统层面的实现手段，实质上是帮助用户识别可以进入低功耗的时间段，真正进入低功耗模式还需要MCU的硬件支持。

学习本节内容前，最好了解stm32的低功耗相关知识，可以浏览笔者以前的文章：STM32编程HAL库开发的第14篇《电源控制（三种低功耗模式：sleep、stop、standby）》

1）tickless模式的原理

我们知道，FreeRTOS的任务，是以系统滴答时钟节拍来运行的，执行完一段工作后，任务可以调用系统的延时函数（如vTaskDelay）来延时一定的时钟节拍周期，之后再次运行。

假如所有的任务都暂时执行完毕，进入了阻塞态，那么此时就可以进入CPU的低功耗模式来减少能量的消耗；只要在最近的需要运行任务的那个时钟节拍唤醒CPU，就不会对各个任务的执行产生任何影响。

举一个例子便于理解，见下图：

在时间0~2时，任务A、B、C有可能运行，会一直有用户任务占用CPU；

到时刻2时，任务A、B、C都进入阻塞态，空闲任务得到运行；

到时刻4时，又有任务进入到了运行态，那么CPU会退出空闲任务，执行运行态的任务。

在这一段过程中，时刻2~4之间的两个时钟节拍，就可以使MCU进入低功耗模式，只要在时刻4把MCU唤醒，那么用户任务的执行就不受任何影响。

FreeRTOS中的tickless模式的功能，就是在空闲任务执行时（代表没有用户任务在执行），进入MCU的低功耗模式，然后在最近的需要唤醒MCU的那个时钟节拍时，把MCU唤醒，再更新时钟节拍的计数（使得时钟不会因为进入低功耗而漏计节拍数）。

从tickless的原理上来看，进入低功耗模式的时间点很好确定，因为所有的用户任务都不执行时，就会进入空闲任务，所以我们只需要在空闲任务中执行进入MCU低功耗模式的操作就可以了。

退出低功耗模式时，如果是被中断唤醒，那么不需要做特殊的处理，只需要在唤醒后更新时钟节拍数；而如果是任务延时后被唤醒，就有点麻烦了，因为需要计算所有任务的延时，选出离运行时刻最短的那个，在这个时钟节拍来唤醒MCU，并更新时钟节拍数。由于多个任务同时运行，它们的延时、阻塞都不确定，而且是动态变化的，它们之间的延时还有交叉、重叠，所以让MCU休眠多长时间是很难确定的。

而FreeRTOS的tickless模式的强大之处在于它将这个需要唤醒的时长帮我们计算好了，我们甚至不需要知道这个时长是多少，也不需要知道它在哪起的作用，只要开启了tickless模式，它就会在空闲任务中让MCU进入低功耗模式，并且在最近的需要运行任务的那个时钟节拍将MCU唤醒；顺便把更新时钟节拍的工作也干了。

2）FreeRTOS中低功耗模式的使用

使用Tickless模式几个重要的宏定义和函数：

a） 要想使用tickless模式，要先将FreeRTOSConfig.h文件中的宏configUSE_TICKLESS_IDLE定义为1。

b) 另外一个重要的宏，是在FreeRTOS.h文件中定义的configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP，这个宏定义了一个周期数，只有空闲任务连续执行的时间大于这个周期，才会进入低功耗模式。这个宏定义是不能小于2的，也就是说，只有系统计算出有两个或以上的周期只运行空闲任务时，才会进入低功耗模式。

c） portmacro.h文件中的portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP()宏，是进入和退出低功耗模式的关键，它会被空闲任务调用，完成进入和退出低功耗的工作，并更新系统时钟节拍计数；这是tickless模式工作的最主要的一个函数。使用STM32的话，FreeRTOS已经帮我们把这个宏实现好了。如果是HAL库生成的，一般在port.c文件中，由vPortSuppressTicksAndSleep这个函数实现，可以看到其中有这么几行：

中间的__wfi();这句，其实就是嵌入的汇编指令WFI，即进入低功耗模式。

如果是其他硬件平台，可能需要自己编写这个宏或函数，并且configUSE_TICKLESS_IDLE宏定义要改为2，即使用自定义的低功耗处理函数。

d) configPRE_SLEEP_PROCESSING()和configPOST_SLEEP_PROCESSING()宏，会在portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP()实现的宏里面被调用，见上图，它们是需要用户编写的。这两个宏是用在MCU进入低功耗模式前、退出低功耗模式后执行的操作。一般在进入低功耗模式前，可以设置降低时钟主频、改为内部RC时钟、关闭一些无必要的外设等等，以降低硬件功耗；而退出低功耗模式后，需要将这些设置恢复。

默认情况下，这两个函数是空函数，用户可以自行添加需要的操作，如关闭部分外设的时钟，等等：

设置好以上几项，就可以使用低功耗模式了。

3）编程试验

下面我们来编程试验一下tickless低功耗模式的使用。

Cubemx中建立工程的时候，注意使能tickless模式，如下图，选择Built in模式：

注意，这里使能有两个选项，Built in表示的是使能内置的低功耗模式；User defined表示的是使能用户自定义的模式。这里的这个设置是改变宏configUSE_TICKLESS_IDLE的值，Built in是将其设置为1，User defined是将其设置为2。

我们可以在这里修改，也可以在生成keil工程后，直接在源文件FreeRTOSConfig.h中修改configUSE_TICKLESS_IDLE的宏定义为1：

时钟基准要设置为systick：

因为cubemx里生成的低功耗代码，是以systick作为freeRTOS的节拍时钟的，如果不这么设置，自动生成的代码会无法在低功耗模式时关闭时钟节拍。

再确认一下，没有意外的中断会打断低功耗模式：

生成keil代码，在keil工程中编写代码。首先是三个任务的处理函数。

DefaultTask和Task03，都是延时2000ms后打印运行的消息：

Task02，先占用CPU时间1000ms，再延时1000ms运行，期间打印提示信息：

另外，在进入低功耗之前，打印即将睡眠的节拍数：

这个程序运行结果如下：

由后面的时间戳可以观察打印信息执行的大致时刻。

首先Task02占用了1s的CPU时间，然后开始延时；

在延时的1000ms期间，低功耗模式开始运行了，它连续几次进入睡眠状态，共睡眠了233*4+65 = 997个周期；

之后被唤醒，Task03开始运行了；

Task03运行完之后，又进入了低功耗模式，睡眠了3个节拍；

之后Task02完成了一个循环；睡眠时间总共997 + 3 = 1000个周期。

可以观察到，这个程序的输出，前几次都是睡眠233个节拍，这是系统为了防止超过systick计时的最大值自动做的限制。

另外，可以观察到优先级较高的Task03任务，每次运行都相对Task02提早了几个节拍，这可能是因为进、出低功耗模式时，以及打印输出时，都会占用一点时间。

好了，本节的内容就到这里了。

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