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tags: [source-summary]
type: source
source: "尚硅谷嵌入式技术之FreeRTOS实时操作系统 V1.0.3 — 软件定时器 + Tickless低功耗模式"
author: "尚硅谷研究院"
date: 2026-07-17
created: 2026-07-17
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# 软件定时器与 Tickless 低功耗

> **用生活理解**：软件定时器像手机闹钟——设定时间到了就响铃（回调函数），可以是一次性的（单次提醒）或每天重复（周期提醒）。Tickless 低功耗像你晚上睡觉时关掉所有闹钟，第二天早上再一次性补上所有错过的报时——省电又不误事。

## 软件定时器

### Basic concept

FreeRTOS 软件定时器是一种基于 Tick 计数的轻量级时间管理工具，完全由软件实现，不依赖硬件定时器资源。

软件定时器与硬件定时器的主要区别：

| 软件定时器 | 硬件定时器 |
|-----------|-----------|
| 依赖 RTOS 调度器进行计时 | 由芯片硬件提供，独立于 CPU |
| 精度受任务调度影响 | 精度高、分辨率高 |
| 不占用额外硬件资源 | 占用硬件定时器外设 |

定时器回调函数在**定时器服务任务**（Timer Service Task）的上下文中执行，因此回调函数中**不能调用会导致阻塞的 API 函数**（如 vTaskDelay、xQueueReceive 等）。

### Working principle

软件定时器完全基于系统 Tick 中断计数实现。所有对定时器的操作（启动、停止、复位等）都通过**定时器命令队列**发送消息给定时器服务任务，由该任务统一处理。

**定时器服务任务**：当 `configUSE_TIMERS` 设置为 1 时，启动调度器会自动创建此任务。它负责：
- 判断定时器是否超时
- 调用超时定时器的回调函数
- 处理定时器命令队列中的消息

**定时器状态机**：

```
未创建 (Uncreated) → 已创建 (Created) → 运行中 (Running)
                          ↑                    │
                          └── 停止 ────────────┘
```

- **Dormant（休眠）**：定时器已创建但未启动
- **Running（运行）**：定时器已启动，正在倒计时
- 单次定时器到期后自动回到 Dormant；周期定时器到期后自动重启

### 单次定时器 vs 周期定时器

| 类型 | AutoReload | 行为 |
|------|-----------|------|
| 单次 (One-shot) | pdFALSE | 到期执行一次回调后停止 |
| 周期 (Periodic) | pdTRUE | 每到期一次执行一次回调，循环往复 |

### Core API

| 函数 | 描述 |
|------|------|
| `xTimerCreate()` | 动态创建软件定时器 |
| `xTimerStart()` | 启动定时器（发命令到命令队列） |
| `xTimerStop()` | 停止定时器 |
| `xTimerReset()` | 复位定时器（重新开始计时） |
| `xTimerChangePeriod()` | 更改定时周期 |
| `xTimerStartFromISR()` | 在中断中启动定时器 |
| `xTimerStopFromISR()` | 在中断中停止定时器 |
| `xTimerResetFromISR()` | 在中断中复位定时器 |

所有 API 均通过命令队列发送消息给定时器服务任务，因此有**阻塞时间**参数（如 `portMAX_DELAY`）。

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## Tickless 低功耗模式

### Basic concept

Tickless 模式是 FreeRTOS 的一种特殊运行模式，用于最小化系统时钟中断频率以降低功耗。在 Tickless 模式下，当所有任务都处于阻塞或挂起状态时，空闲任务会让 MCU 进入低功耗模式（通常是睡眠模式），并暂停 SysTick 中断，直到有事件需要处理才唤醒。

### Working principle

```
所有任务阻塞 → 空闲任务运行
                   ↓
         configPRE_SLEEP_PROCESSING(x)   ← 关闭外设时钟等
                   ↓
          MCU 进入睡眠模式 (WFI)
          SysTick 暂停
                   ↓
         中断/事件唤醒
                   ↓
         configPOST_SLEEP_PROCESSING(x)  ← 恢复外设时钟
                   ↓
         补上错过的 Tick 计数
```

Tickless 的关键机制：退出低功耗后，FreeRTOS 会自动修正 Tick 计数值，确保系统时间不因休眠而丢失。

### STM32 低功耗模式

| 模式 | 说明 | 唤醒方式 |
|------|------|---------|
| 睡眠 (Sleep) | 仅 CPU 停止，外设全工作 | 任何中断/事件 |
| 停机 (Stop) | SRAM/寄存器保持，1.8V 部分断电 | EXTI、RTC、USB 唤醒 |
| 待机 (Standby) | 最低功耗，SRAM 内容丢失 | NRST、IWDG、WKUP、RTC |

Tickless 默认使用**睡眠模式**（通过 `__WFI` 指令），任何中断均可唤醒。

### 配置项

| 宏 | 说明 |
|----|------|
| `configUSE_TICKLESS_IDLE` | 使能 Tickless 模式（默认 0） |
| `configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP` | 进入低功耗的最短空闲时间（默认 2 ticks） |
| `configPRE_SLEEP_PROCESSING(x)` | 进入低功耗前执行的操作（关闭外设时钟） |
| `configPOST_SLEEP_PROCESSING(x)` | 退出低功耗后执行的操作（恢复外设时钟） |

## Experiment

### Experiment 1: 软件定时器

#### Requirements

- 创建单次定时器 timer1（500 ticks）和周期定时器 timer2（1000 ticks）
- KEY1 → 启动两个定时器，KEY2 → 停止两个定时器
- 观察回调函数的执行次数

#### Code Implementation

**File: 19_软件定时器/Core/Src/freertos_demo.c**

```c
#include "freertos_demo.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "timers.h"          // 软件定时器头文件
#include "LED.h"
#include "Key.h"

#define START_TASK_STACK 128
#define START_TASK_PRIORITY 1
TaskHandle_t start_task_handle;
void start_task(void *pvParameters);

#define TASK1_STACK 128
#define TASK1_PRIORITY 2
TaskHandle_t task1_handle;
void task1(void *pvParameters);

// 定时器回调函数声明
void timer1_callback(TimerHandle_t xTimer);    // 单次
void timer2_callback(TimerHandle_t xTimer);    // 周期

TimerHandle_t timer1_handle;
TimerHandle_t timer2_handle;

void freertos_start(void)
{
    // 创建单次定时器：500 ticks，不会自动重载
    timer1_handle = xTimerCreate(
        "timer1",            // 定时器名称
        (TickType_t)500,     // 定时周期（Tick 数）
        pdFALSE,             // 单次模式（不自动重载）
        (void *)1,           // 定时器 ID
        timer1_callback);    // 回调函数

    // 创建周期定时器：1000 ticks，自动重载
    timer2_handle = xTimerCreate(
        "timer2",            // 定时器名称
        (TickType_t)1000,    // 定时周期（Tick 数）
        pdTRUE,              // 周期模式（自动重载）
        (void *)2,           // 定时器 ID
        timer2_callback);    // 回调函数

    xTaskCreate((TaskFunction_t)start_task,
                (char *)"start_task",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)START_TASK_STACK,
                (void *)NULL,
                (UBaseType_t)START_TASK_PRIORITY,
                (TaskHandle_t *)&start_task_handle);

    vTaskStartScheduler();
}

void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();

    xTaskCreate((TaskFunction_t)task1,
                (char *)"task1",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK1_STACK,
                (void *)NULL,
                (UBaseType_t)TASK1_PRIORITY,
                (TaskHandle_t *)&task1_handle);

    vTaskDelete(NULL);       // 启动任务自我删除
    taskEXIT_CRITICAL();
}

void task1(void *pvParameters)
{
    uint8_t key = 0;
    BaseType_t res = 0;
    while (1)
    {
        key = Key_Detect();
        if (key == KEY1_PRESS)
        {
            // KEY1 按下 → 启动两个定时器
            res = xTimerStart(timer1_handle, portMAX_DELAY);
            if (res != pdFAIL)
                printf("timer1 单次定时器启动成功\r\n");

            res = xTimerStart(timer2_handle, portMAX_DELAY);
            if (res != pdFAIL)
                printf("timer2 周期定时器启动成功\r\n");
        }
        else if (key == KEY2_PRESS)
        {
            // KEY2 按下 → 停止两个定时器
            res = xTimerStop(timer1_handle, portMAX_DELAY);
            if (res != pdFAIL)
                printf("timer1 单次定时器停止成功\r\n");

            res = xTimerStop(timer2_handle, portMAX_DELAY);
            if (res != pdFAIL)
                printf("timer2 周期定时器停止成功\r\n");
        }
        vTaskDelay(500);
    }
}

void timer1_callback(TimerHandle_t xTimer)
{
    static uint16_t timer1_count = 0;
    printf("timer1 定时回调=%d 次..\r\n", ++timer1_count);
}

void timer2_callback(TimerHandle_t xTimer)
{
    static uint16_t timer2_count = 0;
    printf("timer2 定时回调=%d 次..\r\n", ++timer2_count);
}
```

#### Key Config

```c
// FreeRTOSConfig.h 软件定时器相关配置
#define configUSE_TIMERS              1           // 使能软件定时器
#define configTIMER_TASK_PRIORITY     4           // 定时器服务任务优先级（configMAX_PRIORITIES - 1）
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH      5           // 定时器命令队列长度
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH  256         // 定时器服务任务栈大小（128 * 2）
```

### Experiment 2: Tickless 低功耗

#### Requirements

- 基于二值信号量实验（task1 按键释放信号量 → task2 获取信号量）
- 使能 Tickless 模式，编写睡眠前/后处理函数
- 对比功耗变化

#### Code Implementation

**File: 20_Tickless低功耗/Core/Src/freertos_demo.c**

```c
#include "freertos_demo.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"          // 信号量头文件
#include "LED.h"
#include "Key.h"

QueueHandle_t sem_handle;    // 二值信号量句柄

// 进入低功耗前关闭所有 GPIO 时钟
void PRE_SLEEP_PROCESSING()
{
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_DISABLE();
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_DISABLE();
    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_DISABLE();
    __HAL_RCC_GPIOE_CLK_DISABLE();
    __HAL_RCC_GPIOF_CLK_DISABLE();
    __HAL_RCC_GPIOG_CLK_DISABLE();
}

// 退出低功耗后恢复所有 GPIO 时钟
void POST_SLEEP_PROCESSING()
{
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();
}

/* start_task / task1 / task2 创建与信号量实验代码... */
// （核心逻辑：task1 KEY1 → xSemaphoreGive，task2 xSemaphoreTake）
```

完整任务代码与前文信号量实验相同，增加了 `configUSE_TICKLESS_IDLE` 使能和睡眠前/后处理函数。

#### Key Config

```c
// FreeRTOSConfig.h Tickless 相关配置
#define configUSE_TICKLESS_IDLE                         1   // 使能 Tickless 低功耗模式
#include "freertos_demo.h"
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING(x)         PRE_SLEEP_PROCESSING()
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING(x)        POST_SLEEP_PROCESSING()
```

`configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP` 默认值 2，表示空闲时间超过 2 个 Tick 才进入低功耗。

## Core API Reference Table

### 软件定时器 API

| API | 参数 | 说明 |
|-----|------|------|
| `xTimerCreate(name, period, autoReload, id, callback)` | name=定时器名, period=Tick数, autoReload=pdTRUE/pdFALSE, id=用户ID, callback=回调函数 | 创建软件定时器，返回句柄 |
| `xTimerStart(xTimer, blockTime)` | xTimer=句柄, blockTime=等待命令队列的阻塞时间 | 启动定时器 |
| `xTimerStop(xTimer, blockTime)` | 同上 | 停止定时器 |
| `xTimerReset(xTimer, blockTime)` | 同上 | 复位定时器（从头计时） |
| `xTimerChangePeriod(xTimer, newPeriod, blockTime)` | newPeriod=新周期 | 更改定时周期 |

### Tickless 配置 API

| 配置宏 | 说明 |
|--------|------|
| `configUSE_TICKLESS_IDLE` | 使能 Tickless（0=关, 1=开） |
| `configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP` | 进入休眠前最小空闲 Tick 数 |
| `configPRE_SLEEP_PROCESSING(x)` | 休眠前调用的用户函数 |
| `configPOST_SLEEP_PROCESSING(x)` | 唤醒后调用的用户函数 |

## 常见问题与避坑

1. **定时器回调中不要调用阻塞 API**：回调函数在定时器服务任务上下文中运行，调用 `vTaskDelay()`、`xQueueReceive()` 等阻塞函数会导致服务任务卡死，影响所有定时器。

2. **`xTimerStart` 不是立即生效**：所有定时器 API 都通过命令队列异步执行。返回值只表示命令是否成功放入队列，定时器实际状态变化有延迟。

3. **`configTIMER_TASK_PRIORITY` 要合理设置**：如果此优先级过低，定时器回调可能被其他任务长时间抢占，导致定时精度下降。

4. **Tickless 下调试困难**：进入低功耗后调试器可能断开连接。建议先关闭 Tickless 完成功能调试，最后再使能低功耗。

5. **`configPRE_SLEEP_PROCESSING` 不能阻塞**：此函数在空闲任务上下文中被调用，阻塞会影响系统进入低功耗。

6. **`configTOTAL_HEAP_SIZE` 要足够**：Tickless 模式会增加少量内存开销（用于记录休眠时间），堆大小不足可能导致创建任务失败。

7. **Tickless 下中断频率过低可能有副作用**：长时间休眠后，多个中断可能同时触发，需确保中断处理函数能处理累积事件。

![STM32 低功耗模式](./assets/stm32_low_power_modes.png)
![定时器状态图](./assets/timer_state_diagram.png)