笔记7 FreeRTOS低功耗模式和内存管理

Tickless低功耗模式

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一、低功耗模式简介

1、低功耗介绍

很多应用场合对于功耗的要求很严格，比如可穿戴低功耗产品、物联网低功耗产品等；一般MCU都有相应的低功耗模式，裸机开发时可以使用MCU的低功耗模式。FreeRTOS也提供了一个叫Tickless的低功耗模式，方便带FreeRTOS操作系统的应用开发。

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二、Tickless模式详解

1、STM32低功耗模式

STM32低功耗模式有3种，分别是：睡眠模式、停止模式、待机模式。

在FreeRTOS中主要使用的是睡眠模式：

• 进入睡眠模式： WFI 指令(__WFI )、WFE 指令(__WFE) 。
• 退出睡眠模式：任何中断或事件都可以唤醒睡眠模式。

2、Tickless模式如何降低功耗

Tickless低功耗模式的本质是通过调用指令 WFI 实现睡眠模式！

3、为什么要有Tickless模式

任务运行时间统计实验中，可以看出，在整个系统的运行过程中，其实大部分时间是在执行空闲任务。

空闲任务：是在系统中的所有其他任务都阻塞或挂起时才运行的。

4、为了可以降低功耗，又不影响系统运行，该如何做？

可以在本该空闲任务执行的期间，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。

难点：

1. 进入低功耗之后，多久唤醒？也就是下一个要运行的任务如何被准确唤醒。
2. 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？

解决：将滴答定时器的中断周期修改为低功耗运行时间，退出低功耗后，需补上系统时钟节拍数。

值得庆幸的是：FreeRTOS 的低功耗 Tickless 模式机制已经处理好了这些难点。

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三、Tickless模式相关配置项

1、Tickless模式配置

• configUSE_TICKLESS_IDLE

此宏用于使能低功耗 Tickless 模式 。

• configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP

此宏用于定义系统进入相应低功耗模式的最短时长。

• configPRE_SLEEP_PROCESSING(x)

此宏用于定义需要在系统进入低功耗模式前执行的事务，如：进入低功耗前关闭外设时钟，以达到降低功耗的目的。

• configPOSR_SLEEP_PROCESSING(x)

此宏用于定义需要在系统退出低功耗模式后执行的事务，如：退出低功耗后开启之前关闭的外设时钟，以使系统能够正常运行。

2、需要系统运行低功耗模式需满足以下几个条件

1. 在 FreeRTOSConfig.h 文件中配置宏定义 configUSE_TICKLESS_IDLE 为 1 。
2. 满足当前空闲任务正在运行，所有其他任务处在挂起状态或阻塞状态。
3. 当系统可运行于低功耗模式的时钟节拍数大于等于configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP（该宏默认为2个系统时钟节拍)。

3、若想系统进入低功耗时功耗达到最低

1. 在进入睡眠模式前，可以关闭外设时钟、降低系统主频等，进一步降低系统功耗(调用函数configPRE_SLEEP_RPOCESSING()，需自行实现该函数的内部操作)。
2. 退出睡眠模式后，开启前面所关闭的外设时钟、恢复系统时钟主频等(退出睡眠模式后，开启前面所关闭的外设时钟、恢复系统时钟主频等)。

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FreeRTOS内存管理

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一、FreeRTOS内存管理简介

1、FreeRTOS内存管理介绍

在使用 FreeRTOS 创建任务、队列、信号量等对象的时，一般都提供了两种方法：

• 动态方法创建：自动地从 FreeRTOS 管理的内存堆中申请创建对象所需的内存，并且在对象删除后，可将这块内存释放回FreeRTOS管理的内存堆
• 静态方法创建：需用户提供各种内存空间，并且使用静态方式占用的内存空间一般固定下来了，即使任务、队列等被删除后，这些被占用的内存空间一般没有其他用途。

总结：动态方式管理内存相比与静态方式，更加灵活。

2、为什么不用标准的C库自带的内存管理算法

因为标准 C 库的动态内存管理方法有如下几个缺点：

• 占用大量的代码空间 不适合用在资源紧缺的嵌入式系统中。
• 没有线程安全的相关机制。
• 运行有不确定性，每次调用这些函数时花费的时间可能都不相同。
• 内存碎片化。

因此，FreeRTOS 提供了多种动态内存管理的算法，可针对不同的嵌入式系统！

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二、FreeRTOS内存管理算法

1、FreeRTOS内存管理算法种类

FreeRTOS提供了5种动态内存管理算法，分别为： heap_1、heap_2、heap_3、heap_4、heap_5 。

如图所示：

在我们FreeRTOS例程中，使用的均为heap_4内存管理算法。

2、heap_1内存管理算法

heap_1的特点：

heap_1只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree；也就是说，它只能申请内存，无法释放内存！如果你的工程，创建好的任务、队列、信号量等都不需要被删除，那么可以使用heap_1内存管理算法。

heap_1的实现最为简单，管理的内存堆是一个数组，在申请内存的时候， heap_1 内存管理算法只是简单地从数组中分出合适大小的内存，内存堆数组的定义如下所示 ：

/* 定义一个大数组作为 FreeRTOS 管理的内存堆 */
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

heap_1内存管理算法的分配过程如下图所示：

注意： heap_1内存管理算法，只能申请无法释放！

3、heap_2内存管理算法

heap_2的特点：

• 相比于 heap_1 内存管理算法， heap_2 内存管理算法使用最适应算法，并且支持释放内存；
• heap_2 内存管理算法并不能将相邻的空闲内存块合并成一个大的空闲内存块；因此 heap_2 内存管理算法不可避免地会产生内存碎片；

最适应算法：

假设heap有3块空闲内存（按内存块大小由小到大排序）：5字节、25字节、50字节。

现在新创建一个任务需要申请20字节的内存。

第一步：找出最小的、能满足pvPortMalloc的内存：25字节。

第二步：把它划分为20字节、5字节；返回这20字节的地址，剩下的5字节仍然是空闲状态，留给后续的pvPortMalloc使用。

heap_2内存管理算法的分配过程：

内存碎片是由于多次申请和释放内存，但释放的内存无法与相邻的空闲内存合并而产生的。

适用场景：

频繁的创建和删除任务，且所创建的任务堆栈都相同，这类场景下Heap_2没有碎片化的问题。

4、heap_4内存管理算法

heap_4的特点：

heap_4 内存管理算法使用了首次适应算法，也支持内存的申请与释放，并且能够将空闲且相邻的内存进行合并，从而减少内存碎片的现象。

首次适应算法：

• 假设heap有3块空闲内存（按内存块地址由低到高排序）：5字节、50字节、25字节。
• 现在新创建一个任务需要申请20字节的内存。
• 第一步：找出第一个能满足pvPortMalloc的内存：50字节。
• 第二步：把它划分为20字节、30字节；返回这20字节的地址，剩下30字节仍然是空闲状态，留给后续的pvPortMalloc使用。

heap_4内存管理算法的分配过程：

heap_4内存管理算法会把相邻的空闲内存合并为一个更大的空闲内存，这有助于减少内存的碎片问题。

适用于这种场景：

频繁地分配、释放不同大小的内存。

5、heap_5内存管理算法

heap_5的特点：

heap_5 内存管理算法是在 heap_4 内存管理算法的基础上实现的，但是 heap_5 内存管理算法在 heap_4 内存管理算法的基础上实现了管理多个非连续内存区域的能力。

heap_5 内存管理算法默认并没有定义内存堆 ， 需要用户手动指定内存区域的信息，对其进行初始化。

怎么指定一块内存？

使用如下结构体：

typedef struct HeapRegion
{   uint8_t *     pucStartAddress;          /* 内存区域的起始地址 */size_t        xSizeInBytes;             /* 内存区域的大小，单位：字节 */
} HeapRegion_t; 

怎么指定多块且不连续的内存？

Const  HeapRegion_t  xHeapRegions[] = 
{{(uint8_t *)0x80000000, 0x10000 }, 	    /* 内存区域 1 */{ (uint8_t *)0x90000000, 0xA0000 }, 	/* 内存区域 2 */{ NULL, 0 }                             /* 数组终止标志 */
};
vPortDefineHeapRegions(xHeapRegions); 

适用场景：

在嵌入式系统中，那些内存的地址并不连续的场景。

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三、FreeRTOS内存管理相关API函数

1、FreeRTOS内存管理相关函数

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );

void vPortFree( void * pv );

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

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