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# 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)