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rt-thread-official/bsp/renesas/ra2l1-cpk/docs/LPM低功耗配置说明.md

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[bsp/renesas/ra2l1-cpk] 添加RA2L1-CPK开发板BSP [bsp/renesas] 更新flash、gpio驱动和配置头文件。更新FSP配置文档
2022-07-07 17:12:56 +08:00
# LPM低功耗配置说明
## 基础知识
低功耗的本质是系统空闲时 CPU 停止工作，中断或事件唤醒后继续工作。在 RTOS 中，通常包含一个 IDLE 任务，该任务的优先级最低且一直保持就绪状态，当高优先级任务未就绪时，OS 执行 IDLE 任务。一般地，未进行低功耗处理时，CPU 在 IDLE 任务中循环执行空指令。RT-Thread 的电源管理组件在 IDLE 任务中，通过对 CPU 、时钟和设备等进行管理，从而有效降低系统的功耗。
![PM工作原理](picture/pm_ostick.png)
在上图所示，当高优先级任务运行结束或被挂起时，系统将进入 IDLE 任务中。在 IDLE 任务执行后，它将判断系统是否可以进入到休眠状态（以节省功耗）。如果可以进入休眠， 将根据芯片情况关闭部分硬件模块，OS Tick 也非常有可能进入暂停状态。此时电源管理框架会根据系统定时器情况，计算出下一个超时时间点，并设置低功耗定时器，让设备能够在这个时刻点唤醒，并进行后续的工作。当系统被（低功耗定时器中断或其他唤醒中断源）唤醒后，系统也需要知道睡眠时间长度是多少，并对OS Tick 进行补偿，让系统的OS tick值调整为一个正确的值。
### [PM组件](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/pm/pm)
PM组件是RT-Thread系统中针对电源管理而设计的基础功能组件， 组件采用分层设计思想，分离架构和芯片相关的部分，提取公共部分作为核心。支持多种运行模式和休眠模式的管理切换，以及低功耗定时器的管理。
PM 组件有以下特点：
- PM 组件是基于模式来管理功耗
- PM 组件可以根据模式自动更新设备的频率配置，确保在不同的运行模式都可以正常工作
- PM 组件可以根据模式自动管理设备的挂起和恢复，确保在不同的休眠模式下可以正确的挂起和恢复
- PM 组件支持可选的休眠时间补偿，让依赖 OS Tick 的应用可以透明使用
- PM 组件向上层提供设备接口，如果使用了设备文件系统组件，那么也可以用文件系统接口来访问
PM组件支持的休眠模式有：
| 模式 | 描述 |
| -------------------- | ---------------------------------- |
| PM_SLEEP_MODE_NONE | 系统处于活跃状态，未采取任何的降低功耗状态 |
| PM_SLEEP_MODE_IDLE | **空闲模式**，该模式在系统空闲时停止 CPU 和部分时钟，任意事件或中断均可以唤醒 |
| PM_SLEEP_MODE_LIGHT | **轻度睡眠模式**，CPU 停止，多数时钟和外设停止，唤醒后需要进行时间补偿 |
| PM_SLEEP_MODE_DEEP | **深度睡眠模式**，CPU 停止，仅少数低功耗外设工作，可被特殊中断唤醒 |
| PM_SLEEP_MODE_STANDBY | **待机模式**，CPU 停止，设备上下文丢失(可保存至特殊外设)，唤醒后通常复位 |
| PM_SLEEP_MODE_SHUTDOWN | **关断模式**，比 Standby 模式功耗更低， 上下文通常不可恢复， 唤醒后复位 |
### RA系列LPM功能
RA2 MCU支持的LPM类型有:
- Sleep mode
- Software Standby mode
- Snooze mode
| 休眠模式 | 描述 |
| ----------------------- | ------------------------------------------------------------ |
| LPM_MODE_SLEEP | **睡眠模式**，CPU停止工作，但其内部寄存器的内容被保留。其他外围功能在单片机中不停止。休眠模式下可用的复位或中断会导致MCU取消休眠模式。在这种模式下，所有的中断源都可用来取消Sleep模式。 |
| LPM_MODE_STANDBY | **软件待机模式**，CPU、大部分片上外设功能和振荡器停止运行。但是，CPU内部寄存器的内容和SRAM数据、芯片上外围功能的状态和I/O端口状态都被保留。软件待机模式可以显著降低功耗，因为大多数振荡器在这种模式下停止。 |
| LPM_MODE_STANDBY_SNOOZE | **小睡模式**，是软件待机模式的扩展，在这种模式下，有限的外设模块可以在不唤醒CPU的情况下运行。通过配置中断源，可以通过软件待机模式进入小睡模式。类似地，系统可以通过snooze模式支持的中断从snooze模式中唤醒。 |
低功耗模式转换和触发源如图所示。
![image-20220705161631226](picture/lpm_mode.png)
不同模式间的切换如图所示，从图中也可以看出三种模式的功耗关系是Sleep>Snooze>Standby。
RA2芯片的休眠模式对应PM组件的模式关系：
| RA2芯片 | PM组件 |
| ----------------------- | --------------------- |
| LPM_MODE_SLEEP | PM_SLEEP_MODE_IDLE |
| LPM_MODE_STANDBY | PM_SLEEP_MODE_DEEP |
| LPM_MODE_STANDBY_SNOOZE | PM_SLEEP_MODE_STANDBY |
## 配置LPM功能
要使用RA2系列芯片的LPM功能，需要进入bsp\renesas\ra2l1-cpk目录。
- 在menuconfig中使能LPM驱动，并勾选要开启的休眠模式，然后保存配置，生成MDK5工程。
![image-20220705172537997](picture/lpm_config.png)
- 打开PM组件和驱动后，需要增加idle的线程栈大小，可改为1024。
![image-20220708183500091](picture/lpm_idle.png)
- 打开生成的MDK5工程project.uvprojx，然后打开FSP配置工具添加LPM相关配置。下图是需要添加的stack，包括三种LPM模式的配置以及低功耗定时器AGT1。
![image-20220705183404587](picture/lpm_config1.png)
- 创建LPM如下图所示新建r_lpm，**需要根据使用的模式进行配置且不同模式要创建不同的r_lpm**。下面将分别介绍三种不同模式的配置，创建步骤就不再赘述。
![image-20220705185012409](picture/lpm_config2.png)
### Sleep mode休眠模式
创建出r_lpm后需要修改Name和Low Power Mode这两个配置项。Name需要改为g_lpm_sleep，因为在驱动文件中已经定义了sleep模式对应的stack名称。Low Power Mode选择Sleep mode即可。
![image-20220705185611562](picture/lpm_config3.png)
### Standby mode软件待机模式
Name需要改为g_lpm_sw_standby。Low Power Mode选择Software Standby mode即可。
另外在此模式下还需要配置唤醒MCU的中断源，因为会使用到AGT1做为低功耗定时器所以AGT1的中断需要勾选。如果在应用中还需要其他中断源在此模式下唤醒MCU，则勾选对应选项即可。
![image-20220705185734682](picture/lpm_config4.png)
### Snooze mode小睡模式
Name需要改为g_lpm_sw_standby_with_snooze。Low Power Mode选择Snooze mode即可。
另外在此模式下同样要配置唤醒MCU的中断源，因为会使用到AGT1做为低功耗定时器所以AGT1的中断需要勾选。如果在应用中还需要其他中断源在此模式下唤醒MCU，则勾选对应选项即可。
![image-20220705185903034](picture/lpm_config5.png)
### AGT1低功耗定时器
在驱动中使用了MCU的AGT1做为PM组件的低功耗定时器，用于在休眠状态下的系统时钟补偿。
![image-20220706140137904](picture/lpm_config6.png)
完成上述配置步骤就已经把LPM低功耗模式的相关配置做完了。然后再根据应用要实现的功能配置其他外设。
## 低功耗DEMO
上文介绍了在RT-Thread的RA2L1上怎么配置LPM的不同模式，接下来就用一个小DEMO来验证下MCU在各种模式下的工作情况。
低功耗DEMO要实现的功能是，在CPK-RA2L1开发板上用S1按钮切换不同的低功耗模式，并在msh中打印出模式切换的提示信息。要实现这个功能需要在刚才的基础上添加一个低功耗的唤醒源。
### 添加配置
- 创建IRQ中断，IRQ中断选择通道3，详细配置如下。
![image-20220706180228630](picture/lpm_demo1.png)
![image-20220706180613033](picture/lpm_demo3.png)
![image-20220706180438089](picture/lpm_demo2.png)
- 在刚才的Snooze和Standby模式的配置里添加IRQ3的唤醒源
![image-20220706181018705](picture/lpm_demo5.png)
![image-20220706180846002](picture/lpm_demo4.png)
- 然后保存并生成配置代码。
### 添加测试代码
```c
#include <rtthread.h>
#ifdef BSP_USING_LPM
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>
#include <drivers/pm.h>
#define WAKEUP_APP_THREAD_STACK_SIZE 512
#define WAKEUP_APP__THREAD_PRIORITY RT_THREAD_PRIORITY_MAX / 3
#define WAKEUP_EVENT_BUTTON (1 << 0)
static rt_event_t wakeup_event;
#define USER_INPUT "P004"
#define LED2_PIN "P501" /* Onboard LED pins */
void rt_lptimer_init(rt_lptimer_t timer,
const char *name,
void (*timeout)(void *parameter),
void *parameter,
rt_tick_t time,
rt_uint8_t flag);
rt_err_t rt_lptimer_detach(rt_lptimer_t timer);
rt_err_t rt_lptimer_start(rt_lptimer_t timer);
rt_err_t rt_lptimer_stop(rt_lptimer_t timer);
rt_err_t rt_lptimer_control(rt_lptimer_t timer, int cmd, void *arg);
static struct rt_lptimer lptimer;
static void timeout_cb(void *parameter)
{
rt_interrupt_enter();
rt_kprintf("\n lptimer callback \n");
rt_interrupt_leave();
}
static void lptimer_init(void)
{
rt_lptimer_init(&lptimer,
"lpm",
timeout_cb,
(void*)&wakeup_event,
1000,
RT_TIMER_FLAG_PERIODIC);
}
static void lptimer_stop(void)
{
rt_lptimer_stop(&lptimer);
}
static void lptimer_start(void)
{
rt_lptimer_start(&lptimer);
}
static void led_app(void)
{
static uint8_t key_status = 0x00;
rt_uint32_t led2_pin = rt_pin_get(LED2_PIN);
rt_pin_write(led2_pin, PIN_HIGH);
switch(key_status%4)
{
case 0:/* IDLE */
lptimer_stop();
rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_NONE);
rt_kprintf("\trequest:IDLE\n");
rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_IDLE);
break;
case 1:/* DEEP */
lptimer_stop();
lptimer_start();
rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_IDLE);
rt_kprintf("\trequest:DEEP\n");
rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_DEEP);
break;
case 2:/* STANDBY */
lptimer_stop();
lptimer_start();
rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_DEEP);
rt_kprintf("\trequest:STANDBY\n");
rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_STANDBY);
break;
case 3:/* NONE */
lptimer_stop();
rt_pm_release(PM_SLEEP_MODE_STANDBY);
rt_kprintf("\trequest:NONE\n");
rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_NONE);
break;
default:
break;
}
key_status++;
rt_pin_write(led2_pin, PIN_LOW);
}
static void wakeup_callback(void* p)
{
rt_event_send(wakeup_event, WAKEUP_EVENT_BUTTON);
}
void wakeup_sample(void)
{
/* init */
rt_uint32_t pin = rt_pin_get(USER_INPUT);
rt_kprintf("\n pin number : 0x%04X \n", pin);
rt_err_t err = rt_pin_attach_irq(pin, PIN_IRQ_MODE_RISING, wakeup_callback, RT_NULL);
if (RT_EOK != err)
{
rt_kprintf("\n attach irq failed. \n");
}
err = rt_pin_irq_enable(pin, PIN_IRQ_ENABLE);
if (RT_EOK != err)
{
rt_kprintf("\n enable irq failed. \n");
}
}
static void wakeup_init(void)
{
wakeup_event = rt_event_create("wakup", RT_IPC_FLAG_FIFO);
RT_ASSERT(wakeup_event != RT_NULL);
wakeup_sample();
}
static void pm_mode_init(void)
{
rt_pm_release_all(RT_PM_DEFAULT_SLEEP_MODE);
rt_pm_request(PM_SLEEP_MODE_NONE);
}
void pm_test_entry(void* para)
{
/* 唤醒回调函数初始化 */
wakeup_init();
/* 电源管理初始化 */
pm_mode_init();
lptimer_init();
while (1)
{
/* 等待唤醒事件 */
if (rt_event_recv(wakeup_event,
WAKEUP_EVENT_BUTTON,
RT_EVENT_FLAG_AND | RT_EVENT_FLAG_CLEAR,
RT_WAITING_FOREVER, RT_NULL) == RT_EOK)
{
led_app();
}
}
}
int pm_test(void)
{
rt_thread_t tid = rt_thread_create(
"pmtest",pm_test_entry,RT_NULL,512,10,10);
if(tid)
rt_thread_startup(tid);
return 0;
}
MSH_CMD_EXPORT(pm_test, pm_test);
// INIT_APP_EXPORT(pm_test);
#endif
```
将DEMO代码加入到工程中，可以直接添加到hal_entry.c或新建一个源文件。
### 测试验证
然后编译下载。开发板连接串口工具，输入`pm_test`命令启动测试DEMO。
按下S1按钮切换工作模式，在DEEP、STANDBY模式下会启动低功耗定时器，当定时唤醒后会打印出回调接口的提示信息。
![image-20220706183705384](picture/lpm_demo6.png)