前后台系统的低功耗编程思想——STM8平台

1.前言

    工作之后接触了“低功耗”，开始搜索各种各样的低功耗MCU。网络是一个非常自由的地方，你总可以看到各种关于哪个MCU功耗更低的论战，在这些论战中我查阅了几乎所有低功耗MCU的特性，例如MSP430、EFM32还有STM32L等，网络论战的核心便是哪款MCU的休眠电流更低。看多了资料我便发现，这些低功耗的MCU如何使用，低功耗MCU的程序编写和普通MCU编程有什么区别。

    带着这些疑问我继续品味关于低功耗MCU的”论战“，直到我购买了《MSP430系列单片机系统工程设计与实践》。在该书中提到了低功耗MCU编程的基本思想，大致可以总结为：

    1.善用节拍

    2.消除阻塞

    下面就结合STM8谈谈如何实践以上两点。（虽然STM8并不是严格意义上的低功耗MCU，但是只要有低功耗指令的MCU都可以使用以上两点，发挥它的低功耗特性）

2.善用节拍

    定时休眠是低功耗MCU常用的手段，定时休眠便是让MCU先休眠再工作，在休眠和工作之间不停转换。STM8有多种低功耗方式，例如 等待模式便是其中的一种，等待模式时仅MCU停止工作，其他外设可正常工作。使用等待模式可以保证定时器或UART等可以正常的进入中断。当然也可以使用停止模式进一步降低功耗，在这里则使用等待模式做一个“方法性质”的说明。

    图1 前后台系统中的低功耗节拍

    可以这样理解，定时进入低功耗模式也可以理解为一个任务，这个“任务”会阻塞CPU使得其他任务无法得到运行，但这并不是真正意义的阻塞CPU，而是使得CPU停止只能通过定时器中断才可以退出该”任务“。实现部分的代码如下：

void main(void)
{
  /* Clock configuration -----------------------------------------*/
  CLK_Config();  
  /* GPIO configuration -----------------------------------------*/
  GPIO_Config();  
  /* TIM4 configuration -----------------------------------------*/
  TIM4_Config();    
  while (1)
  {
    // 进入等待模式，CPU停止工作，所有中断打开
    Enter_WaitMode();
    // LED闪烁任务
    LED_Process();
  }
}

void Enter_WaitMode(void)
{
  WaitFlag = 0;
  // 1ms之后CPU被TIM4中断唤醒，WaitFlag在中断中被置位
  while( WaitFlag == 0)
  {
    __wait_for_interrupt(); 
  }
}

INTERRUPT_HANDLER(TIM4_UPD_OVF_IRQHandler, 23)
{
  WaitFlag = 1;
  /* Cleat Interrupt Pending bit */
  TIM4_ClearITPendingBit(TIM4_IT_UPDATE);
}

    以上代码中出现了WaitFlag标志位，该标志位出现在Enter_WaitMode函数和TIM4_UPD_OVF_IRQHandler中断中，该标志位的作用是保证唤醒CPU继续工作的一定是定时器4溢出中断，其他中断例如UART接收中断则不能使CPU重新运行。STM8的等待模式和定时器4溢出中断组成了低功耗节拍”任务“。

3.消除阻塞

    从上文的分析可以看出，在整个的运行周期中总是希望低功耗任务所占的比重大（从时间角度切入），其他任务所占的比重小。那么其他任务应该尽量减少对CPU的占用，例如实现LED间隔闪烁便可使用以下代码：

void LED_Process(void)
{
  static uint16_t LEDCounter = 0;
  
  if( LEDCounter++ > 500 )
  {
    LEDCounter = 0;
    /* Toggles LEDs */
    GPIO_WriteReverse(LED_GPIO_PORT, (GPIO_Pin_TypeDef)LED_GPIO_PINS);
  }
}

    由于LED_Process在低功耗任务之后运行，而低功耗任务所占用CPU的时间为固定时间—— 定时器4溢出周期，也就意味着 LED任务的调用周期为1ms，利用该特性可以结合一个 计数变量LEDCounter实现LED闪烁功能，当然更复杂的时序可以通过 有限状态机实现。

4.总结

    节拍运行和消除阻塞算是低功耗MCU编程的基本思想，理解了低功耗MCU编程的基本思路那么不是低功耗的MCU也可以用来开发出低功耗应用。前段时间上TB查看MCU的价格，STM8的价格真的把我吓了一跳，自己也购置了STM8开发板，结合低功耗方法于是总结了该文章。

    工程代码分享

    若结合操作系统实现低功耗，请参考以下 博文

    未来的安排——尝试一下STM8和SI4432如何！