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

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）。

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

#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

// 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

#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

// 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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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软件定时器与 Tickless 低功耗

软件定时器

Basic concept

Working principle

单次定时器 vs 周期定时器

Core API

Tickless 低功耗模式

Basic concept

Working principle

STM32 低功耗模式

配置项

Experiment

Experiment 1: 软件定时器

Requirements

Code Implementation

Key Config

Experiment 2: Tickless 低功耗

Requirements

Code Implementation

Key Config

Core API Reference Table

软件定时器 API

Tickless 配置 API

常见问题与避坑

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