第二部分 基础篇 - 第10章 低功耗

10.1低功耗工作原理

STM32的工作电压(VDD)为2.0～3.6V。通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。当主电源VDD掉电后，通过VBAT脚为实时时钟(RTC)和备份寄存器提供电源。

图10-1电源管理
在系统或电源复位以后，微控制器处于运行状态。当CPU不需继续运行时，可以利用多种低功耗模式来节省功耗，例如等待某个外部事件时。用户需要根据最低电源消耗、最快速启动时间和可用的唤醒源等条件，选定一个最佳的低功耗模式。
STM32F10xxx有三种低功耗模式：
● 睡眠模式(Cortex™-M3内核停止，所有外设包括Cortex-M3核心的外设，如NVIC、系统时钟(SysTick)等仍在运行)
● 停止模式(所有的时钟都已停止)
● 待机模式(1.8V电源关闭) 此外，在运行模式下，可以通过以下方式中的一种降低功耗
● 降低系统时钟
● 关闭APB和AHB总线上未被使用的外设时钟。

表10-1底功耗模式

从表中可以看到，这三种低功耗模式层层递进，运行的时钟或芯片功能越来越少，因而功耗越来越低。
在睡眠模式中，仅关闭了 CPU 时钟，CPU 停止运行，但其片上外设，CM3 核心外设全都还照常运行。有两种方式进入睡眠模式，它的进入方式决定了从睡眠唤醒的方式，分别是 WFI(wait for interrupt)和 WFE(wait for event)，即由等待“中断”唤醒和由“事件”唤醒。
在停机模式中，进一步关闭了其它所有的时钟，于是所有的外设都停止了工作，但由于其 1.8V 区域的电源没有关闭，还保留了 CPU 的寄存器、内存的信息，所以从停机模式唤醒，并重新开启时钟后，还可以从上次停机处继续执行代码。停止模式可以由任意一个外部中断(EXTI)唤醒。在停止模式中可以选择电压调节器为开模式或低功耗模式，若选择低功耗模式，在唤醒时会加上电压调节器的唤醒延迟。
待机模式，这与我们平时印象中的手机关机模式相似，它除了关闭所有的时钟，还把1.8V 区域的电源也关闭了，也就是说，从待机模式唤醒后，由于没有之前代码的运行记录，只能对芯片复位，重新检测 boot 条件，从头开始执行程序。它有四种唤醒方式，分别是 WKUP(PA0)引脚的上升沿，RTC 闹钟事件，NRST 引脚的复位和 IWDG(窗口看门狗)复位
在运行模式下，任何时候都可以通过停止为外设和内存提供时钟(HCLK和PCLKx)来减少功耗。为了在睡眠模式下更多地减少功耗，可在执行WFI或WFE指令前关闭所有外设的时钟。
通过设置AHB外设时钟使能寄存器(RCC_AHBENR)、APB2外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR)和APB1外设时钟使能寄存器(RCC_APB1ENR)来开关各个外设模块的时钟。

10.1.1睡眠模式

 进入睡眠模式
通过执行WFI或WFE指令进入睡眠状态。根据Cortex™-M3系统控制寄存器中的SLEEPONEXIT位的值，有两种选项可用于选择睡眠模式进入机制：
● SLEEP-NOW：如果SLEEPONEXIT位被清除，当WRI或WFE被执行时，微控制器立即进入睡眠模式。
● SLEEP-ON-EXIT：如果SLEEPONEXIT位被置位，系统从最低优先级的中断处理程序中退出时，微控制器就立即进入睡眠模式。
在睡眠模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。
 退出睡眠模式
如果执行WFI指令进入睡眠模式，任意一个被嵌套向量中断控制器响应的外设中断都能将系统从睡眠模式唤醒。
如果执行WFE指令进入睡眠模式，则一旦发生唤醒事件时，微处理器都将从睡眠模式退出。唤醒事件可以通过下述方式产生：
● 在外设控制寄存器中使能一个中断，而不是在NVIC(嵌套向量中断控制器)中使能，并且在Cortex-M3系统控制寄存器中使能SEVONPEND位。当MCU从WFE中唤醒后，外设的中断挂起位和外设的NVIC中断通道挂起位(在NVIC中断清除挂起寄存器中)必须被清除。
● 配置一个外部或内部的EXIT线为事件模式。当MCU从WFE中唤醒后，因为与事件线对应的挂起位未被设置，不必清除外设的中断挂起位或外设的NVIC中断通道挂起位。
该模式唤醒所需的时间最短，因为没有时间损失在中断的进入或退出上。

表10-2 SLEEP-NOW模式

表10-3 SLEEP-ON-EXIT模式

10.1.2停止模式

停止模式是在Cortex™-M3的深睡眠模式基础上结合了外设的时钟控制机制，在停止模式下电压调节器可运行在正常或低功耗模式。此时在1.8V供电区域的的所有时钟都被停止， PLL、 HSI和HSE RC振荡器的功能被禁止， SRAM和寄存器内容被保留下来。
在停止模式下，所有的I/O引脚都保持它们在运行模式时的状态。
 进入停止模式
在停止模式下，通过设置电源控制寄存器(PWR_CR)的LPDS位使内部调节器进入低功耗模式，能够降低更多的功耗。
如果正在进行闪存编程，直到对内存访问完成，系统才进入停止模式。
如果正在进行对APB的访问，直到对APB访问完成，系统才进入停止模式。可以通过对独立的控制位进行编程，可选择以下功能。
● 独立看门狗(IWDG)：可通过写入看门狗的键寄存器或硬件选择来启动IWDG。一旦启动了
独立看门狗，除了系统复位，它不能再被停止。详见17.3节。
● 实时时钟(RTC)：通过备份域控制寄存器 (RCC_BDCR)的RTCEN位来设置。
● 内部RC振荡器(LSI RC)：通过控制/状态寄存器 (RCC_CSR)的LSION位来设置。
● 外部32.768kHz振荡器(LSE)：通过备份域控制寄存器 (RCC_BDCR)的LSEON位设置。
在停止模式下，如果在进入该模式前ADC和DAC没有被关闭，那么这些外设仍然消耗电流。通过设置寄存器ADC_CR2的ADON位和寄存器DAC_CR的ENx位为0可关闭这2个外设。
 退出停止模式
当一个中断或唤醒事件导致退出停止模式时， HSI RC振荡器被选为系统时钟。
当电压调节器处于低功耗模式下，当系统从停止模式退出时，将会有一段额外的启动延时。如果在停止模式期间保持内部调节器开启，则退出启动时间会缩短，但相应的功耗会增加。

表10-4 停止模式

10.1.3待机模式

待机模式可实现系统的最低功耗。该模式是在Cortex-M3深睡眠模式时关闭电压调节器。整个1.8V供电区域被断电。 PLL、 HSI和HSE振荡器也被断电。 SRAM和寄存器内容丢失。只有备份的寄存器和待机电路维持供电。
 进入待机模式
可以通过设置独立的控制位，选择以下待机模式的功能：
● 独立看门狗(IWDG)：可通过写入看门狗的键寄存器或硬件选择来启动IWDG。一旦启动了
独立看门狗，除了系统复位，它不能再被停止。详见17.3节。
● 实时时钟(RTC)：通过备用区域控制寄存器(RCC_BDCR)的RTCEN位来设置。
● 内部RC振荡器(LSI RC)：通过控制/状态寄存器(RCC_CSR)的LSION位来设置。
● 外部32.768kHz振荡器(LSE)：通过备用区域控制寄存器(RCC_BDCR)的LSEON位设置。
 退出待机模式
当一个外部复位(NRST引脚)、 IWDG复位、 WKUP引脚上的上升沿或RTC闹钟事件的上升沿发生时，微控制器从待机模式退出。从待机唤醒后，除了电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)，所有寄存器被复位。
从待机模式唤醒后的代码执行等同于复位后的执行(采样启动模式引脚、读取复位向量等)。 电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)将会指示内核由待机状态退出。
待机模式可实现系统的最低功耗。该模式是在Cortex-M3深睡眠模式时关闭电压调节器。整个1.8V供电区域被断电。PLL、HSI和HSE振荡器也被断电。SRAM和寄存器内容丢失。只有备份的寄存器和待机电路维持供电。

表10-5待机模式

待机模式下的输入/输出端口状态在待机模式下，所有的I/O引脚处于高阻态，除了以下的引脚：
● 复位引脚(始终有效)
● 当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚
● 被使能的唤醒引脚
 待机模式下的输入/输出端口状态
在待机模式下，所有的I/O引脚处于高阻态，除了以下的引脚：
● 复位引脚(始终有效)
● 当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚
● 被使能的唤醒引脚

10.2低功耗的寄存器描述

电源控制寄存器（ PWR_CR），该寄存器的各位描述如图2 所示：

图10-2 PWR_CR 寄存器各位描述
我们通过设置 PWR_CR 的 PDDS 位，使 CPU 进入深度睡眠时进入待机模式，同时我们通过 CWUF 位，清除之前的唤醒位。电源控制/状态寄存器（ PWR_CSR）的各位描述如图所示。

图10-3电源控制/状态寄存器
通过设置 PWR_CSR 的 EWUP 位，来使能 WKUP 引脚用于待机模式唤醒。我们还可以从 WUF 来检查是否发生了唤醒事件。

10.3低功耗具体代码分析

通过以上介绍，我们了解了进入低功耗模式的三种方法，在者三种模式中待机模式功耗最低，笔者在后文重点讲解待机模式的使用方法。其余两种模式的操作参看配套的代码。待机模式的具体步骤如下：
1） 使能电源时钟。
因为要配置电源控制寄存器，所以必须先使能电源时钟。在库函数中，使能电源时钟的方法是：

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); //使能 PWR 外设时钟

2) 设置 WK_UP 引脚作为唤醒源。
使能时钟之后后再设置 PWR_CSR 的 EWUP 位，使能 WK_UP 用于将 CPU 从待机模式唤醒。在库函数中，设置使能 WK_UP 用于唤醒 CPU 待机模式的函数是：
PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE); //使能唤醒管脚功能
3） 设置 SLEEPDEEP 位， 设置 PDDS 位，执行 WFI 指令，进入待机模式。
进入待机模式， 首先要设置 SLEEPDEEP 位（ 该位在系统控制寄存器（ SCB_SCR）的第二位，详见《 CM3 权威指南》）， 接着我们通过 PWR_CR 设置 PDDS 位，使得 CPU 进入深度睡眠时进入待机模式，最后执行 WFI 指令开始进入待机模式，并等待 WK_UP中断的到来。在库函数中，进行上面三个功能进入待机模式是在函数 PWR_EnterSTANDBYMode中实现的：
void PWR_EnterSTANDBYMode(void)；
4） 最后编写 WK_UP 中断函数。
因为我们通过 WK_UP 中断（ PA0 中断）来唤醒 CPU，所以我们有必要设置一下该中断函数，同时我们也通过该函数里面进入待机模式。
通过以上几个步骤的设置，我们就可以使用 STM32 的待机模式了，并且可以通过 WK_UP来唤醒 CPU。

本章参考代码

IAR版本完整代码
KEIL版本完整代码