STM32學(xué)習(xí)筆記之低功耗模式的機(jī)制

本文主要解讀STM32低功耗模式的機(jī)制，并不側(cè)重STM32低功耗的程序?qū)崿F(xiàn)，而且借助STM32固件庫(kù)實(shí)現(xiàn)STM32低功耗會(huì)變的非常簡(jiǎn)單。

一、STM32芯片性能

使用芯片型號(hào)：stm32,CORTEX-M0.封裝TSSOP20.

運(yùn)行模式：內(nèi)部時(shí)鐘(HSI),系統(tǒng)時(shí)鐘頻率采用48MHZ。

工作電壓：3.3V

芯片具體參數(shù)如下：

二、芯片功耗

功耗：

芯片工作模式：

工作模式：外設(shè)正常運(yùn)行，內(nèi)核CPU及SRAM供電，未使用外設(shè)的時(shí)鐘默認(rèn)關(guān)閉。

睡眠模式：只有CPU停止工作，各個(gè)外設(shè)正常工作，依靠任何中斷/事件喚醒。

停機(jī)模式：1.8V供電區(qū)域時(shí)鐘被停止，內(nèi)部HSI,PLL,外部時(shí)鐘HSE均關(guān)閉，同時(shí)電壓檢測(cè)器也可進(jìn)入低功耗模式，但SRAM和寄存器不斷電，此時(shí)只能依靠外部中斷(EXTI)和RTC時(shí)鐘才能喚醒。

待機(jī)模式：1.8V供電區(qū)域被時(shí)鐘停止，內(nèi)部HSI,PLL,外部時(shí)鐘HSE均關(guān)閉，同時(shí)電壓檢測(cè)器也可進(jìn)入低功耗模式，SRAM和不屬于待機(jī)電路的寄存器也被斷電關(guān)閉，此時(shí)即使是外部中斷(EXTI)也不能將其喚醒，只能通過(guò)復(fù)位（外部復(fù)位，看門狗復(fù)位）、喚醒引腳、RTC時(shí)鐘來(lái)喚醒。

注意：無(wú)論是在停止模式還是待機(jī)模式下，RTC和IWDG及其時(shí)鐘源不會(huì)被關(guān)閉。

各個(gè)模式功耗：

功耗計(jì)算方式：功耗=工作電壓*工作電流。

I/O模塊損耗：

靜態(tài)損耗：

內(nèi)部上下拉電阻損耗：這部分損耗主要取決于內(nèi)部電阻的大小，一般為了降低內(nèi)部電阻損耗常常需要降低電阻兩端電壓，若引腳為低電壓則采用下拉電阻，若引腳為高電壓則采用上拉電阻。

I/O額外損耗：當(dāng)引腳設(shè)為輸入I/O時(shí)，用來(lái)區(qū)分電壓高低的斯密特觸發(fā)器電路會(huì)產(chǎn)生一部分消耗，為此可將引腳設(shè)為模擬輸入模式。

動(dòng)態(tài)損耗：對(duì)于懸浮的引腳，由于其電壓不穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生外部電磁干擾和損耗，因此必須把懸浮引腳設(shè)為模擬模式或輸出模式，引腳電壓的切換會(huì)對(duì)外部和內(nèi)部電容負(fù)載產(chǎn)生動(dòng)態(tài)損耗，其損耗與電壓切換頻率和負(fù)載電容有關(guān)。具體損耗值如下：

三、CORTEX-M0低功耗功能、指令、相關(guān)寄存器

CORREX內(nèi)核支持低功耗模式有2種：

睡眠模式：CPU時(shí)鐘停止，對(duì)應(yīng)stm32睡眠模式

深度睡眠模式：系統(tǒng)時(shí)鐘停止，PLL,FLASH關(guān)閉，對(duì)應(yīng)stm32停機(jī)模式。

進(jìn)入睡眠模式：

當(dāng)CPU處理完中斷后軟件必須能使其進(jìn)入睡眠模式，當(dāng)CPU執(zhí)行WFI指令，其將會(huì)立即進(jìn)入睡眠模式，當(dāng)異常產(chǎn)生或中斷被掛起時(shí)，其立即被喚醒。

當(dāng)CPU執(zhí)行WFE指令時(shí)，它首先會(huì)檢查對(duì)應(yīng)的事件標(biāo)志位，當(dāng)事件標(biāo)志寄存器為0時(shí)進(jìn)入睡眠模式，否則將寄存器事件標(biāo)志清0并繼續(xù)執(zhí)行程序。事件標(biāo)志可由外部事件標(biāo)志或SEV指令產(chǎn)生。

返回方式：通過(guò)設(shè)置內(nèi)核SCB寄存器的Sleep-on-exit位，可以選擇系統(tǒng)被喚醒執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后進(jìn)入主線程模式后是否立即進(jìn)入睡眠模式。

從睡眠中喚醒：

WFI喚醒或sleep-on-exit：

一般來(lái)說(shuō)，使能的異常可以喚醒內(nèi)核。對(duì)于一些系統(tǒng)，在喚醒后執(zhí)行中斷處理程序前需要先執(zhí)行重新恢復(fù)的任務(wù)，則首先需要屏蔽所有中斷（PRIMASK=1），中斷發(fā)生后內(nèi)核被喚醒但不執(zhí)行中斷處理，待執(zhí)行完恢復(fù)任務(wù)后再將PRIMASK設(shè)為0，此后執(zhí)行中斷處理任務(wù)。

WFE喚醒：

使能異常可以喚醒內(nèi)核。外部事件或SEV指令發(fā)送的事件也可喚醒內(nèi)核。

注意：當(dāng)SCR的SEVONPEND設(shè)置為1時(shí)，任何使能/非使能中斷或事件都可喚醒內(nèi)核。

中斷喚醒控制器（WIC）：

WIC只有在SCR寄存器DEEPSLEEP位設(shè)為1時(shí)才能使能，WIC不可編程也沒(méi)有相關(guān)的控制寄存器，它僅與硬件信號(hào)有關(guān)，當(dāng)進(jìn)入深睡眠時(shí)內(nèi)核大部分模塊被關(guān)閉，系統(tǒng)計(jì)數(shù)器也被關(guān)閉，因此當(dāng)內(nèi)核被喚醒時(shí)需要較多的時(shí)間恢復(fù)到睡眠前的狀態(tài)并處理中斷。

外部事件輸入：可在WFE模式下喚醒內(nèi)核。

相關(guān)指令：

WFE等待事件，若無(wú)事件則睡眠，中斷、事件喚醒

WFI等待中斷，立即進(jìn)入睡眠，中斷喚醒

SEV軟件發(fā)送一個(gè)事件，在核系統(tǒng)中可喚醒另一個(gè)內(nèi)核。

微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)：

由指令對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言接口：

//core_cmInstr.h

void__WFE(void)//WaitforEvent

void__WFI(void)//WaitforInterrupt

void__SEV(void)//SendEvent

相關(guān)寄存器：

SCR寄存器：

SEVONPEND:

0：只有使能的中斷或事件才能喚醒內(nèi)核。

1：任何中斷和事件都可以喚醒內(nèi)核。

SLEEPDEEP:

0：低功耗模式為睡眠模式。

1：進(jìn)入低功耗時(shí)為深度睡眠模式。

SLEEPONEXIT:

0:被喚醒進(jìn)入線程模式后不再進(jìn)入睡眠模式。

1：被喚醒后執(zhí)行完相應(yīng)的中斷處理函數(shù)后進(jìn)入睡眠模式。

四、STM32時(shí)鐘管理

運(yùn)行模式下可通過(guò)關(guān)閉和降低相關(guān)外設(shè)的時(shí)鐘頻率來(lái)減少功耗。

APB外設(shè)時(shí)鐘和DMA時(shí)鐘可用軟件禁止。

睡眠模式停止CPU時(shí)鐘。在CPU睡眠中存儲(chǔ)器接口時(shí)鐘(Flash和RAM接口)可被停止。當(dāng)連接到APB所有外設(shè)的時(shí)鐘禁止后，當(dāng)進(jìn)入睡眠期間AHB到APB橋時(shí)鐘由CPU的硬件關(guān)閉。

CPU進(jìn)入停止模式時(shí)停止V18域、PLL、HSI、HSI14和HSE振蕩器的時(shí)鐘。

HDMICEC,USART1和I2C1即使在MCU進(jìn)入停止模式下仍有能力打開HIS振蕩器(假如HIS被選為這些外設(shè)的時(shí)鐘)。

在LSE振蕩器已使能的情況下，HDMICEC和USART1當(dāng)在系統(tǒng)進(jìn)入停止模式下也可由LSE振蕩器驅(qū)動(dòng)(假如LSE被選為這些外設(shè)時(shí)鐘)。但是這些外設(shè)沒(méi)有打開LSE振蕩器的能力。

CPU進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)停止V18域、PLL、HSI、HSI14和HSE振蕩器的時(shí)鐘。

當(dāng)設(shè)置DBGMCU_CR寄存器中的DBG_STOP或DBG_STANDBY位，那么CPU在相應(yīng)的深度睡眠模式下也可以具有調(diào)試功能。

當(dāng)系統(tǒng)由中斷(停止模式)或復(fù)位(待機(jī)模式)喚醒后，HSI振蕩器被選為系統(tǒng)時(shí)鐘(不管進(jìn)入停止模式或待機(jī)模式前選用的是何種時(shí)鐘)。

假如當(dāng)前正在進(jìn)行閃存編程，只有在閃存編程全部完成之后才會(huì)進(jìn)入深度睡眠模式(深度睡眠延后)。若當(dāng)前正在使用APB域，那么只有全部完成APB域的操作后才進(jìn)入深度睡眠模式。

五、STM32低功耗設(shè)置

STM32工作模式主要有運(yùn)行、睡眠、停止、待機(jī)4種模式，前面已介紹過(guò)。詳細(xì)見第二節(jié)。

供電框圖

由上圖可以看到整個(gè)stm32芯片的供電圖，模擬電路部分采用VDDA獨(dú)立供電，各個(gè)部分可以獨(dú)立被關(guān)斷或開啟。備份電路部分由電池供電，主要有RTC時(shí)鐘及相關(guān)的備份寄存器，VDD掉電后可由電池供電，對(duì)于沒(méi)有VBAT引腳的芯片，其電源直接與VDD相連。核心部分分為1.8V工作域和VDD工作域，1.8V工作域主要有內(nèi)核、存儲(chǔ)、外設(shè)部分，VDD供電域主要有I/O、待機(jī)電路（喚醒電路，獨(dú)立看門狗）、電壓調(diào)節(jié)器（VoltageRegulator)。

電壓調(diào)節(jié)器

器件復(fù)位后電壓調(diào)節(jié)器總是打開著的，其根據(jù)應(yīng)用模式有三種不同的工作模式。

運(yùn)行模式：調(diào)節(jié)器以全功耗模式為域(內(nèi)核，內(nèi)存和數(shù)字外設(shè))提供1.8V電源。

停止模式：調(diào)節(jié)器以低功耗模式為保持寄存器及SRAM數(shù)據(jù)部分域提供1.8V的電源。

待機(jī)模式：調(diào)節(jié)器斷電，除了待機(jī)電路及備份域電路外，寄存器和SRAM的內(nèi)容全部丟失。

相關(guān)寄存器介紹：

1，cortex-mo中的SCR寄存器

SEVONPEND:

0：只有使能的中斷或事件才能喚醒內(nèi)核。

1：任何中斷和事件都可以喚醒內(nèi)核。

SLEEPDEEP:

0：低功耗模式為睡眠模式。

1：進(jìn)入低功耗時(shí)為深度睡眠模式。

SLEEPONEXIT:

0:被喚醒進(jìn)入線程模式后不再進(jìn)入睡眠模式。

1：被喚醒后執(zhí)行完相應(yīng)的中斷處理函數(shù)后進(jìn)入睡眠模式。

2，電源控制寄存器PWR_CR

其中與低功耗有關(guān)的控制位：

CSBF:清除待機(jī)標(biāo)志，該位始終讀出為0，寫1清除待機(jī)標(biāo)志。

CWUF:清除喚醒標(biāo)志，該位始終讀出為0。寫1清除喚醒標(biāo)志。

PDDS:掉電深睡眠

0:當(dāng)CPU進(jìn)入深睡眠時(shí)進(jìn)入停機(jī)模式，調(diào)壓器的狀態(tài)由LPDS位控制。

1:當(dāng)CPU進(jìn)入深睡眠時(shí)進(jìn)入待機(jī)模式。

LPDS:深睡眠下的低功耗

0:在停機(jī)模式下電壓調(diào)節(jié)器開啟

1:在停機(jī)模式下電壓調(diào)節(jié)器處于低功耗模式

3，電源控制/狀態(tài)寄存器(PWR_CSR)

EWUP2/EWUP1:使能WKUP2或EWUP1引腳。

0:WKUP1/2引腳作為通用IO口。WKUP1引腳上的事件不能將CPU從待機(jī)模式喚醒。

1:WKUP1/2引腳用于將CPU從待機(jī)模式喚醒，WKUP1引腳被強(qiáng)置為輸入下拉的配置(WKUP1引腳上的上升沿將系統(tǒng)從待機(jī)模式喚醒)。

SBF:待機(jī)標(biāo)志

該位由硬件設(shè)置,只能設(shè)置電源控制寄存器PWR_CR的CSBF位清除。

0：系統(tǒng)不在待機(jī)模式

1：系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式

WUF:喚醒標(biāo)志

由硬件設(shè)置,只能設(shè)置電源控制寄存器PWR_CR的CWUF位清除。

0:沒(méi)有喚醒事件發(fā)生

1:從WKUP或RTC鬧鐘產(chǎn)生一個(gè)喚醒事件

注意：當(dāng)WKUP引腳已經(jīng)是高電平時(shí)，在(通過(guò)設(shè)置EWUP位)使能WKUP引腳時(shí)，會(huì)檢測(cè)到一個(gè)額外喚醒的事件。

低功耗模式的進(jìn)入與退出問(wèn)題

1、睡眠模式

進(jìn)入睡眠模式：

當(dāng)STM32在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行WFI或WFE指令可進(jìn)入睡眠模式。

條件：SLEEPDEEP=0，設(shè)為睡眠模式。此時(shí)CPU時(shí)鐘被停止。

若令被喚醒的STM32執(zhí)行完中斷處理任務(wù)后進(jìn)入睡眠模式，則可將SLEEPONEXIT設(shè)為1.

退出睡眠模式：

執(zhí)行WFI指令進(jìn)入睡眠，可通過(guò)使能中斷喚醒。執(zhí)行WFE指令進(jìn)入睡眠可由事件喚醒，CPU時(shí)鐘打開。產(chǎn)生事件的兩種方式：

配置一個(gè)外部或內(nèi)部EXTI線做為事件模式。

使能外設(shè)