arm调试器v9 刷固件_ARM低功耗(STM32为例)

待我称王封你为后i 2023-01-03 01:25 148阅读 0赞

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## **1. 简介** ##

本文STM32 为例， `Crotex` 系列属于 `ARMv7` 架构。

`ARMv7-M` 支持使用等待中断 (`WFI`) 和等待事件 (`WFE`) 指令作为系统电源管理的一部分；

`ARMv7-M` 本身有三种电源模式 ：运行、 睡眠、深度睡眠三种。

一般而言，对于基于 `ARM` 架构的 `MCU` 在系统或者电源复位之后，`CPU` 处于运行状态。当 `CPU` 不需要再继续运行时，可以使用多种低功耗模式来节省功耗。 进入低功耗模式之后，等待一个外部事件将 `CPU` 唤醒。

用户可以根据最低电源消耗、启动时间以及可用的唤醒源等条件选择一种合适的低功耗模式。

`STM32` 的低功耗模式有三种：

*  睡眠模式: `Crotex-M3/4` 内核停止，所有的外设包括 `Crotex-M3/4` 核心的外设，如 `NVIC` 、系统滴答定时器 `Systick` 等仍在运行。
 *  停机模式: 所有的时钟都已停止。 停机模式是在基于`Crotex-M3/4` 深度睡眠模式和外设时钟控制。停机模式下，电压调节器可以运行在正常模式或者低功耗模式。 此时在 1.8V 供电区域的所有时钟都被停止，振荡器的功能被禁止，`SRAM` 和寄存器的内容被保留下来，在停机模式下，所有的 `I/O` 引脚都保持它们在运行模式时的状态。
 *  待机模式: 1.8V 电源关闭( `Crotex-M3` )。 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`(`High Speed Internal Clock Signal`) 和 `HSE`(`High Speed External Clock Signal`) 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。

## **2. 睡眠模式** ##

### **2.1 如何进入睡眠模式** ###

通过执行 `WFI` (等待中断) 或 `WFE` (等待事件) 指令进入睡眠模式，根据 `Crotex-M3/4` 系统控制寄存器中的 `SLEEPONEXIT` 位的值，可以通过两种方案选择睡眠模式进入：

*  `SLEEP-NOW`: 立即睡眠模式。 如果 `SLEEPONEXIT` 位被清除，且当 `WFI` 或者 `WFE` 被执行时，MCU 会立即进入睡眠模式。
 *  `SLEEP-ON-EXIT`: 退出时睡眠模式。 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，MCU 立即进入睡眠模式。

在实际的应用中，我们一般采用 `WFI` 指令进入睡眠模式，睡眠模式的进入机制是采用 `SLEEP-NOW` 。因为系统复位上电之后 `SLEEPONEXIT` 位是被清除的，所以这个位也不需要专门的去设置，另外在睡眠模式下，所有的 I/O 口 都会保持它们在运行模式时的状态。

如果运行 `FreeRTOS` 系统之后，不使用 `tickless` 低功耗模式的话，我们可以将 `WFI` 指令放在空闲任务里面。在 `FreeRTOSConfig.h` 中将宏 `configUSE_IDLE_HOOK` 修改为 1 ，并且重写 `vApplicationIdleHook` 函数。

// To Test Low power mode - Set configUSE_IDLE_HOOK as '1' in FreeRTOSConfig.h
    void vApplicationIdleHook( void )
    {
        __WFI();
    }

但是，如果我们运行 `tickless` 模式的话(在 `FreeRTOSConfig.h` 中将宏 `configUSE_TICKLESS_IDLE` 修改为 1 )，基本上就不需要这个办法了。

需要注意的是，在 `FreeRTOSConfig.h` 中，我们一般不会将宏`configUSE_IDLE_HOOK` 和 `configUSE_TICKLESS_IDLE` 同时置位。具体原因我后面详细讲解。

### **2.2 如何退出睡眠模式** ###

由于我们是采用指令 `WFI` 进入睡眠模式，那么任意一个被嵌套向量中断控制器 `NVIC` 响应的外设中都能将系统从睡眠模式中唤醒。并且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者退出上。

如果运行了 `FreeRTOS` ,主要是周期性执行系统滴答定时器中断会将系统冲睡眠种唤醒，当前了其他的任意中断也可以将其从睡眠状态唤醒。

## **3. 停机模式** ##

### **3.1 如何进入停机模式** ###

这个模式下，芯片一般都会提供相应的 `API` 供开发者使用，比如 STM32 就可以直接调用固件库函数 `PWR_Enter_STOPMode()` 。 需要注意的是，大部分的芯片都会要求在进入停机模式之前，需要将所有的外部中断的请求位(挂起寄存器`EXTI_PT` ) 和 `RTC` 闹钟标志位都必须被清除,否则停机模式的进入流程会被跳过，程序继续运行。

### **3.2 如何退出停机模式** ###

我们通过 WFI 指令进入停机模式，那么设置任一外部中断线 `EXTI` 为中断模式并且在 `NVIC` 中使能相应的外部中断向量，既可以使用此中断唤醒停机模式，比如将按键设置为中断方式触发，当按键被按下时既可以将系统从停机模式唤醒。

需要注意的是，在停机模式下，一定要关闭滴答定时器，因为滴答定时器中断亦可将 `MCU` 从停机模式中唤醒。 另一点是，当一个中断或者唤醒事件导致退出停机模式时，可能会涉及到需要重新配置时钟。比如在 `STM32` 上，当退出停机模式时， `HSI RC` 振荡器会被选为系统时钟，这个时候用户要根据需要重新配置时钟，如果使用的是 `HSE` 时钟，那么需要重新配置并使能 `HSE` 和 `PLL`.

## **4. 待机模式** ##

### **4.1 如何进入待机模式** ###

进入待机模式和进入停机模式的方式比较类似，都是提供相应的 `API` ，比如我们熟知的 `STM32` 可以直接调用固件库函数`PWR_EnterSTANDBYMode` 进入待机模式。

### **4.2 如何退出待机模式** ###

可以使用外部复位( `NRST` 引脚)、`IWDG` 复位、`WKUP` 引脚上的上升沿或者 `RTC` 闹钟事件的上升沿。 从待机唤醒后，除了电源控制/状寄存器，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。 电源控制/状态寄存器(`PWR_CSR`)将会指示内核由待机状态退出。

## **5. 关于 WFI 和 WFE** ##

WFI 和 WFE 这两个指令或许大家应该都经常遇到，这里我简单提两句。

`WFI(Wait for interrupt)` 和 `WFE(Wait for event)` 是两个让 `ARM` 核进入 `low-power standby` 模式的指令，由 `ARM` 架构定义，由 `ARM core` 实现。

WFI和WFE的功能非常类似，以 `ARMv8-A` 为例，主要是将 `ARMv8-A PE`(`Processing Element` , 处理单元)设置为 `low-power standby state` 。

但是 `ARM` 架构并没有规定 `low-power standby state` 的具体形式，因而可以由 `ARM core` 自行发挥。但根据 `ARM` 的建议，一般可以实现有 `standby` , `dirmant` , `shutdown` 等等。 但是有一个原则是不能造成内存一致性的问题。

以 `Cortex-A57 ARM core` 为例，它把 `WFI` 和 `WFE` 实现为“ `put the core in a low-power state by disabling the clocks in the core while keeping the core powered up` ”，即我们通常所说的 `standby` 模式，保持供电，关闭 `clock`。

### **6. 降低功耗的其他方面** ###

在考虑低功耗的时候，还需要注意以下几个部分：

1.  关闭可以关闭的外设时钟
2.  降低系统主频
3.  关闭可以关闭的外设。比如串口、PWM 之类的。
4.  主要 I/O 的状态，因为在睡眠模式下，所有的 I/O 引脚都保持他们在运行模式时的状态

*  如果 I/O 口带上拉，可以设置为高电平输出或者高阻态输入
 *  如果 I/O 口带下拉，可以设置为低电平输出或者高阻态输入

1.  主要和外设IC连接的 I/O 口状态。比如外接了温湿度传感器。
2.  测试电流的时候，需要注意不要连接调试器以及评估班上是否有除了MCU之外的其他模块是否已经断开供电。

本文参考了  **ARMv7-M Architecture Reference Manual Reference Manual**.

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