STM32 低功耗模式详解

目录

一、什么是低功耗

二、低功耗的核心思想

三、STM32的3种低功耗模式

1、睡眠模式 (Sleep Mode)

2、停止模式 (Stop Mode)

3、 待机模式 (Standby Mode)

四、相关电源管理寄存器

1、PWR_CR (Power Control Register, 电源控制寄存器)

2、PWR_CSR (Power Control/Status Register, 电源控制/状态寄存器)

五、其他降低功耗

1. 降低系统时钟频率

代码示例

2. 关闭未用的外设时钟

代码示例

六、FreeRTOS低功耗Tickless模式

1、FreeRTOS低功耗Tickless模式简介

2、工作原理

3、FreeRTOS 低功耗 Tickless 模式相关配置项

小结

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一、什么是低功耗

低功耗指的是在系统设计中通过硬件和软件优化，使设备在执行任务时尽量减少能量消耗。特别是在嵌入式系统、物联网设备和电池供电的设备中，低功耗设计至关重要，因为它可以延长设备的工作时间，减少频繁充电或更换电池的需求。

二、低功耗的核心思想

1、减少不必要的资源消耗：尽量关闭不必要的模块或外设，减少芯片功耗。

2、降低工作频率和电压：通过降低系统的工作频率和电压来减少功耗。

3、进入低功耗模式：大多数微控制器（如STM32）有多种低功耗模式，可以根据需求选择不同的低功耗模式。

三、STM32的3种低功耗模式

STM32的这三种低功耗模式主要针对不同的功耗和性能需求，逐级降低功耗：

1、睡眠模式 (Sleep Mode)

特点：内核（CPU）停止运行，但系统时钟 (Systick) 和一些外设（如NVIC）仍然可以工作。这种模式非常适合短时间的休眠。

功耗优势：因为外设仍在运行，所以可以保持较快的响应时间，但功耗相对较高。

应用场景：适用于短暂的休眠，比如等待外设数据，或在周期性任务之间短暂进入低功耗状态。

进入方式：设置 __WFI（Wait For Interrupt，指令让 CPU 暂停执行，直到有中断发生，适合在等待特定中断事件时使用。它能在没有中断时节省功耗，并在中断发生时自动唤醒 CPU）或 __WFE（Wait For Event，指令让 CPU 暂停执行，直到有“事件”或中断发生，可以等待外设、系统事件或中断。在没有中断的情况下，也可以通过事件（比如唤醒事件）使 CPU 唤醒。）指令进入睡眠模式。

唤醒方式：任何中断都可以唤醒 CPU 并恢复正常工作。

// 使能睡眠模式
HAL_SuspendTick();  // 暂停Systick中断（可选）
HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
// 唤醒后
HAL_ResumeTick();   // 恢复Systick中断

2、停止模式 (Stop Mode)

特点：系统时钟停止，1.8V内核电源继续工作，PLL（锁相环，关闭后，系统失去倍频效果）、HIS（高速内部振荡器，内部时钟源，不再为CPU和外设提供高速时钟）和HSE RC（高速外部振荡器，用于系统时钟的基准源，失去高精度的时钟源）振荡器关闭，寄存器和SRAM数据保留。只有低速时钟 (LSI或LSE) 可以工作，允许使用低功耗的外部中断来唤醒。

功耗优势：停止模式大大降低了功耗，因为大部分时钟已经关闭，但数据仍然保留，适合较长时间的低功耗状态。

应用场景：适合在处理任务后进入低功耗状态，等待外部事件或定时器唤醒。典型应用包括长时间采集数据的传感器设备。

进入方式：调用 HAL_PWR_EnterSTOPMode，停止模式下，主调节器仍然供电，内存保持数据。

唤醒方式：通过外部中断（如 RTC、GPIO 中断）唤醒。

注:为了进入停止模式，所有的外部中断的请求位(挂起寄存器(EXTI_PR))和RTC的闹钟标志都必须被清除，否则停止模式的进入流程将会被跳过，程序继续运行。

// 进入停止模式
HAL_SuspendTick();  // 暂停Systick中断（可选）
HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
// 唤醒后，重新配置系统时钟
SystemClock_Config();  // 根据具体项目需要配置系统时钟
HAL_ResumeTick();   // 恢复Systick中断

3、 待机模式 (Standby Mode)

特点：内核电源关闭，所有寄存器和SRAM内容丢失，仅保留备份寄存器和待机电路供电。种模式能够实现最低功耗，适用于极限低功耗场景。

功耗优势：待机模式实现了最低功耗，但所有数据（除备份寄存器）都会丢失，重新唤醒后需要重新初始化。

应用场景：适合在设备长时间不使用时进入待机，比如按键唤醒的电池供电设备，或极低频次使用的物联网传感器节点。

进入方式：调用 HAL_PWR_EnterSTANDBYMode，进入待机模式，关闭所有电源，仅保留RTC或待机引脚。

唤醒方式：通过唤醒引脚（如 WKUP）、RTC 警报或重启（上电复位或IWDG复位等）。

注：待机模式下，所有I/O引脚处于高阻态，除了复位引脚、被使能的唤醒引脚等

待机模式下，不能下载程序，必须退出待机模式才能下载

// 清除唤醒标志，确保顺利进入待机模式
__HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
// 进入待机模式
HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
// 唤醒后将从复位开始

这三种模式适用于不同的应用场景，具体选择取决于功耗、响应时间以及数据保留需求。

根据最低电源消耗，最快启动时间和可用的唤醒源等条件，选择一种最佳的低功耗模式

四、相关电源管理寄存器

PWR_CR 和 PWR_CSR 是 STM32 中的两个电源管理寄存器，用于配置和监视低功耗状态。

1、PWR_CR (Power Control Register, 电源控制寄存器)

作用：用于配置 STM32 的低功耗模式。设置PDDS位进入深度睡眠时进入待机模式。设置CWUF位，清除之前的WUF唤醒位。

LPDS (Low-Power Deep Sleep)：在深度睡眠模式下启用低功耗调节器，减少功耗。

PDDS (Power Down Deep Sleep)：当设置为 1 时，进入待机模式 (Standby Mode)；否则进入停止模式 (Stop Mode)。

CWUF (Clear Wakeup Flag)：写 1 来清除唤醒标志 (WUF)，用于防止错误唤醒。

CSBF (Clear Standby Flag)：写 1 来清除待机标志 (SBF)。

VOS (Voltage Scaling)：控制电压缩放，可以通过降低工作电压进一步节省功耗。

通过设置 PWR_CR 中的这些位，用户可以控制进入哪种低功耗模式（如停止模式、待机模式），同时调节系统的电压和深度睡眠状态。

2、PWR_CSR (Power Control/Status Register, 电源控制/状态寄存器)

作用：用于监测电源状态和低功耗唤醒标志。 设置EWUP，使能WKUP引脚用于待机模式唤醒。WUF唤醒标志，用来判断是否发生唤醒事件。

WUF (Wakeup Flag)：当有唤醒事件发生时，该位被置 1，用于指示是否有唤醒源。

SBF (Standby Flag)：当进入待机模式时，该位被置 1，表示系统已经进入过待机状态。

EWUP (Enable Wakeup Pin)：使能唤醒引脚，允许从待机模式中通过外部引脚唤醒。

PWR_CSR 用于监控进入低功耗模式后的状态和唤醒标志，通过读取 WUF 和 SBF 标志，用户可以判断系统是否因为某个事件唤醒，或是否处于待机状态。

五、其他降低功耗

在 STM32 中降低运行模式下的功耗，主要通过降低系统时钟频率和关闭未使用的外设时钟来实现。这种方式适用于系统运行中不能进入低功耗模式的情况，例如执行任务时，希望减少功耗而又保持一定的功能性。

1. 降低系统时钟频率

通过降低系统的主频，系统的功耗会大幅降低。STM32 的系统时钟可以通过修改配置来降低频率，如降低 AHB 总线和 APB 总线的时钟频率。

代码示例

以下代码降低系统时钟频率到指定值，可以在初始化时或在运行时动态调整：

void SystemClock_Config_LowPower(void) {RCC_ClkInitTypeDef clkInitStruct = {0};RCC_OscInitTypeDef oscInitStruct = {0};// 配置振荡器设置oscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;oscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;oscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;oscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;oscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;oscInitStruct.PLL.PLLM = 16;oscInitStruct.PLL.PLLN = 100;  // 调整这个值来改变频率oscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4;oscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;HAL_RCC_OscConfig(&oscInitStruct);// 配置系统时钟分频器clkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;clkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;clkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV2; // 降低 AHB 时钟clkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;  // 降低 APB1 时钟clkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;  // 降低 APB2 时钟HAL_RCC_ClockConfig(&clkInitStruct, FLASH_LATENCY_3);
}

在需要更低功耗的状态下，可以使用更低的分频值。在恢复正常工作时，可以重新设置更高的频率。

2. 关闭未用的外设时钟

STM32 的外设是通过 AHB 和 APB 总线时钟驱动的，未使用的外设时钟可以禁用，以进一步节省功耗。我们可以通过重置 RCC 寄存器的相关位来实现禁用未用外设。

代码示例

以下示例展示了如何禁用某些未使用的外设时钟，以减少功耗：

void DisableUnusedPeripheralClocks(void) {// 禁用 APB1 外设时钟__HAL_RCC_UART4_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_UART5_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_I2C3_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_CAN1_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_PWR_CLK_DISABLE();// 禁用 APB2 外设时钟__HAL_RCC_SPI1_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_SDIO_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_ADC1_CLK_DISABLE();// 禁用 AHB 外设时钟__HAL_RCC_DMA1_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_DMA2_CLK_DISABLE();__HAL_RCC_CRC_CLK_DISABLE();
}

此函数可以在初始化时调用，关闭系统中不使用的外设。需要时也可以通过重新使能的方式开启外设时钟。例如，在 SPI 需要使用时可以调用 __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE() 恢复其时钟。

六、FreeRTOS低功耗Tickless模式

FreeRTOS的Tickless模式是一种减少系统功耗的机制。通常，FreeRTOS会以固定时间间隔（“Tick”）触发时钟中断，用于任务调度和系统计时。但这种频繁的中断在低功耗需求场景下会导致系统资源的浪费。Tickless模式通过在空闲时段停用Tick中断，大幅降低功耗，是常用的低功耗设计。Tickless低功耗模式的本质是通过调用指令 WFI 实现睡眠模式。

1、FreeRTOS低功耗Tickless模式简介

任务运行时间统计实验中，可以看出，在整个系统的运行过程中，其实大部分时间是在执行空闲任务（系统中的所有其它任务都阻塞或被挂起时才运行的）。

Tickless模式的核心思想是，当系统进入空闲状态并不需要频繁调度时，停止或减少时钟中断，使系统进入更深的低功耗模式。系统会根据需要再次唤醒，然后恢复时钟计数，这样可以避免因频繁的时钟中断唤醒而浪费功耗。

判断执行在vTaskStartScheduler()函数中，具体如下：

/* 此条件编译检查应使用不等于0的判断，而不是等于1。* 这样可以确保当用户定义的低功耗模式实现需要 configUSE_TICKLESS_IDLE * 设置为除1以外的值时，依然能够调用 portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP()。*/
#if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 ){TickType_t xExpectedIdleTime;/* 不希望在空闲任务的每次循环中暂停并恢复调度器。* 因此，首先在调度器未暂停的情况下对预计空闲时间进行初步测试。* 此处的结果不一定有效，仅为初步估计。*/xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();  // 获取下一个任务解锁的时间，即进入低功耗模式的预计空闲时间/* 如果预计空闲时间大于等于设定的最小空闲时间，则进入低功耗模式 */if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ){vTaskSuspendAll();  // 暂停调度器，防止在配置低功耗模式时发生任务切换{/* 现在调度器已暂停，可以重新获取准确的预计空闲时间 */configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );  // 断言确保下一任务的解锁时间不早于当前Tick计数xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();  // 重新获取准确的预计空闲时间/* 定义以下宏以在应用程序不需要调用 portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP()* 时将 xExpectedIdleTime 设为0。*/configPRE_SUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime );  // 用户自定义处理：可以在此进一步优化低功耗逻辑/* 如果 xExpectedIdleTime 仍大于等于设定值，则进入低功耗模式 */if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ){traceLOW_POWER_IDLE_BEGIN();  // 跟踪低功耗状态开始，供调试或分析用portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );  // 进入低功耗模式，抑制Tick中断traceLOW_POWER_IDLE_END();  // 跟踪低功耗状态结束}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();  // 覆盖率测试标记，供测试覆盖率分析工具使用}}( void ) xTaskResumeAll();  // 恢复任务调度器}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();  // 覆盖率测试标记，供测试覆盖率分析工具使用}}
#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */

2、工作原理

1. 判断空闲时间：当系统发现没有就绪任务，并进入空闲任务（Idle Task）时，FreeRTOS会评估空闲时间的长短。
2. 关闭时钟中断：如果空闲时间足够长，则禁用Tick中断，让系统进入深度低功耗状态。
3. 恢复运行状态：当预定的唤醒时间或某个事件发生时（如外部中断、定时器溢出等），系统唤醒并重新使能Tick中断。
4. 调整Tick计数：系统恢复时，通过记录的休眠时间来调整Tick计数器，以保证时间精度。

Tickless模式常用于电池供电的物联网设备和嵌入式系统中，以延长电池寿命和降低系统功耗。

3、FreeRTOS 低功耗 Tickless 模式相关配置项

FreeRTOS 提供了一些配置项，用于设置和控制Tickless模式。这些配置项需要FreeRTOSConfig.h 中进行设置。

1. configUSE_TICKLESS_IDLE：启用Tickless模式的总开关设置

   #define configUSE_TICKLESS_IDLE 1
   

2. configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP：配置空闲时间的最小长度，只有超过此时长系统才会进入Tickless模式。这可以避免过于频繁地进入和退出低功耗模式

   xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();
   

3. configPRE_SLEEP_PROCESSING：进入Tickless模式前的处理回调函数。可以在这个宏中定义进入低功耗模式前的操作（如关闭外设、降低电压等）

   #define configPRE_SLEEP_PROCESSING( xModifiableIdleTime ) myPreSleepFunction( xModifiableIdleTime )
   

4. configPOST_SLEEP_PROCESSING：从低功耗模式中唤醒后的处理回调函数。用于恢复低功耗模式前关闭的外设、恢复系统时钟等。

   #define configPOST_SLEEP_PROCESSING( xExpectedIdleTime ) myPostSleepFunction( xExpectedIdleTime )
   

5. configTICK_RATE_HZ：设定Tick的频率（即每秒的中断次数），对于低功耗应用，Tickless模式会减少系统实际的Tick中断频率，以降低功耗

   #define configTICK_RATE_HZ 1000
   

    小结

FreeRTOS的Tickless模式通过减少系统Tick中断的频率，在空闲时段进入低功耗模式，有效减少系统整体功耗。通过合理配置 configUSE_TICKLESS_IDLE、configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP 以及低功耗前后的处理函数，系统可以在满足实际应用需求的同时，实现尽可能低的功耗。

 参考资料：

66，PWR-低功耗模式原理和配置讲解_哔哩哔哩_bilibili

第59讲 Tickless低功耗模式实战编程_哔哩哔哩_bilibili