STM32CubeMX学习笔记（17）——电源管理(PWR)低功耗待机模式

一、低功耗模式简介

系统提供了多个低功耗模式，可在 CPU 不需要运行时（例如等待外部事件时）节省功耗。由用户根据应用选择具体的低功耗模式，以在低功耗、短启动时间和可用唤醒源之间寻求最佳平衡。

睡眠模式、停止模式及待机模式中，若备份域电源正常供电，备份域内的 RTC 都可以正常运行，备份域内的寄存器的数据会被保存，不受功耗模式影响。

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。

模式名称	说明	进入方式	唤醒方式	对1.8V区域时钟的影响	对VDD区域时钟的影响	调压器
睡眠模式	内核停止，所有外设包括M3核心的外设，如NVIC、系统时钟(SysTick)等仍在运行	调用WFI命令	任意中断	内核时钟关，对其他时钟和ADC时钟无影响	无	开
睡眠模式	内核停止，所有外设包括M3核心的外设，如NVIC、系统时钟(SysTick)等仍在运行	调用WFE命令	唤醒事件	内核时钟关，对其他时钟和ADC时钟无影响	无	开
停止模式	所有的时钟都已停止	配置PWR_CR寄存器的PDDS+LPDS位+SLEEPDEEP位+WFI或WFE命令	任意外部中断EXTI(在外部中断寄存器中设置)	关闭所有1.8V区域的时钟	HSI和HSE的振荡器关闭	开启或处于低功耗模式(依据电源控制寄存器的设定)
待机模式	1.8V电源关闭	配置PWR_CR寄存器的PDDS+SLEEPDEEP位+WFI或WFE命令	WKUP上升沿、引脚的RTC闹钟事件、NRST引脚上的外部复位、IWDG复位	关闭所有1.8V区域的时钟	HSI和HSE的振荡器关闭	关

1.1 睡眠模式

在睡眠模式中，仅关闭了内核时钟，内核停止运行，但其片上外设，CM3 核心的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。

特性和说明：

• 立即睡眠： 在执行 WFI 或 WFE 指令时立即进入睡眠模式。
• 退出时睡眠： 在退出优先级最低的中断服务程序后才进入睡眠模式。
• 进入方式： 内核寄存器的 SLEEPDEEP=0 ，然后调用 WFI 或 WFE 指令即可进入睡眠模式；SLEEPONEXIT=1 时，进入“退出时睡眠”模式。
• 唤醒方式： 如果是使用 WFI 指令睡眠的，则可使用任意中断唤醒；如果是使用 WFE 指令睡眠的，则由事件唤醒。
• 睡眠时： 关闭内核时钟，内核停止，而外设正常运行，在软件上表现为不再执行新的代码。这个状态会保留睡眠前的内核寄存器、内存的数据。
• 唤醒延迟： 无延迟。
• 唤醒后： 若由中断唤醒，先进入中断，退出中断服务程序后，接着执行 WFI 指令后的程序；若由事件唤醒，直接接着执行 WFE 后的程序。

1.2 停止模式

在停止模式中，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 区域的部分电源没有关闭，还保留了内核的寄存器、内存的信息，所以从停止模式唤醒，并重新开启时钟后，还可以从上次停止处继续执行代码。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。

特性和说明：

• 调压器低功耗模式： 在停止模式下调压器可工作在正常模式或低功耗模式，可进一步降低功耗。
• 进入方式： 内核寄存器的 SLEEPDEEP=1，PWR_CR 寄存器中的 PDDS=0，然后调用 WFI 或 WFE 指令即可进入停止模式；PWR_CR 寄存器的 LPDS=0 时，调压器工作在正常模式，LPDS=1 时工作在低功耗模式。
• 唤醒方式： 如果是使用 WFI 指令睡眠的，可使用任意 EXTI 线的中断唤醒；如果是使用 WFE 指令睡眠的，可使用任意配置为事件模式的 EXTI 线事件唤醒。
• 停止时： 内核停止，片上外设也停止。这个状态会保留停止前的内核寄存器、内存的数据。
• 唤醒延迟： 基础延迟为 HSI 振荡器的启动时间，若调压器工作在低功耗模式，还需要加上调压器从低功耗切换至正常模式下的时间。
• 唤醒后： 若由中断唤醒，先进入中断，退出中断服务程序后，接着执行 WFI 指令后的程序；若由事件唤醒，直接接着执行 WFE 后的程序。唤醒后，STM32 会使用 HSI 作为系统时钟。

1.3 待机模式

待机模式，它除了关闭所有的时钟，还把 1.8V 区域的电源也完全关闭了，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(独立看门狗)复位。

特性和说明：

• 进入方式： 内核寄存器的 SLEEPDEEP=1，PWR_CR 寄存器中的 PDDS=1，PWR_CR 寄存器中的唤醒状态位 WUF=0，然后调用 WFI 或 WFE 指令即可进入待机模式。
• 唤醒方式： 通过 WKUP 引脚的上升沿，RTC 闹钟、唤醒、入侵、时间戳事件或 NRST 引脚外部复位及 IWDG 复位唤醒。
• 待机时： 内核停止，片上外设也停止；内核寄存器、内存的数据会丢失；除复位引脚、RTC_AF1 引脚及 WKUP 引脚，其它 I/O 口均工作在高阻态。
• 唤醒延迟： 芯片复位的时间。
• 唤醒后： 相当于芯片复位，在程序表现为从头开始执行代码。

1.4 WFI与WFE命令

我们了解到进入各种低功耗模式时都需要调用 WFI 或 WFE 命令，它们实质上都是内核指令，在库文件 core_cm3.h 中把这些指令封装成了函数。

/** brief 等待中断
  等待中断 是一个暂停执行指令
  暂停至任意中断产生后被唤醒
*/
#define __WFI        __wfi 

/** brief 等待事件
  等待事件 是一个暂停执行指令
  暂停至任意事件产生后被唤醒
*/
#define __WFE        __wfe

对于这两个指令，我们应用时一般只需要知道，调用它们都能进入低功耗模式，需要使用函数的格式“__WFI();”和“__WFE();”来调用(因为__wfi 及__wfe 是编译器内置的函数，函数内部调用了相应的汇编指令)。

其中 WFI 指令决定了它需要用中断唤醒，而 WFE 则决定了它可用事件来唤醒。

二、新建工程

1. 打开 STM32CubeMX 软件，点击“新建工程”

2. 选择 MCU 和封装

3. 配置时钟
RCC 设置，选择 HSE(外部高速时钟) 为 Crystal/Ceramic Resonator(晶振/陶瓷谐振器)
开启 LSE(外部低速时钟) 为 Crystal/Ceramic Resonator(晶振/陶瓷谐振器)

选择 Clock Configuration，配置系统时钟 SYSCLK 为 72MHz
修改 HCLK 的值为 72 后，输入回车，软件会自动修改所有配置

4. 配置调试模式
非常重要的一步，否则会造成第一次烧录程序后续无法识别调试器
SYS 设置，选择 Debug 为 Serial Wire

三、待机模式

3.1 WKUP按键唤醒

3.1.1 流程图

3.1.2 HAL库与标准库代码比较

STM32CubeMX 使用 HAL 库的代码：

int main(void)
{
     
    // 检测复位来源
    if(__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_SB) == SET) 
    {
     
        __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_SB);
        printf("\r\n 待机唤醒复位 \r\n");
    }
    else 
    {
     
        printf("\r\n 非待机唤醒复位 \r\n");
    }
    ···
    while(1)
    {
     
        ···
        HAL_Delay(5000);
        /*清除 WU 状态位*/
        __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
        /* 使能 WKUP 引脚的唤醒功能 ，使能 PA0*/
        HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);
        /* 进入待机模式 */
        HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
        ···
    }
}

使用 STM32 标准库的代码：

int main(void)
{
     
    /* 使能电源管理单元的时钟,必须要使能时钟才能进入待机模式 */
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    // 检测复位来源
    if(PWR_GetFlagStatus(PWR_FLAG_WU) == SET) 
    {
     
        printf("\r\n 待机唤醒复位 \r\n");
    } 
    else 
    {
     
        printf("\r\n 非待机唤醒复位 \r\n");
    }
    ···
    while(1)
    {
     
        ···
        Delay(0xFFFF);
        /*清除 WU 状态位*/
        PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_WU);     
        /* 使能 WKUP 引脚的唤醒功能 ，使能 PA0*/
        PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE); 
        /* 进入待机模式 */
        PWR_EnterSTANDBYMode();
        ···
    }
}

3.1.3 添加WKUP按键

添加系统唤醒按键 PA0 ，以便当系统进入待机模式的时候可以通过按键来唤醒。

或者勾选 System Wake-Up

3.1.4 添加LED灯

添加绿灯 PB0 表示本次复位是上电或引脚复位，蓝灯 PB1 表示本次是待机唤醒的复位。
查看 STM32CubeMX学习笔记（2）——GPIO接口使用

3.1.5 添加串口打印

添加 USART1 用于打印信息。
查看 STM32CubeMX学习笔记（6）——USART串口使用

3.1.6 生成代码

输入项目名和项目路径

选择应用的 IDE 开发环境 MDK-ARM V5

每个外设生成独立的 ’.c/.h’ 文件
不勾：所有初始化代码都生成在 main.c
勾选：初始化代码生成在对应的外设文件。 如 GPIO 初始化代码生成在 gpio.c 中。

点击 GENERATE CODE 生成代码

3.1.7 修改main函数

程序中首先初始化了系统时钟、LED 灯及串口以便用于指示芯片的运行状态，由于待机模式唤醒使用 WKUP 引脚并不需要特别的引脚初始化。

使用库函数 __HAL_PWR_GET_FLAG 检测 PWR_FLAG_SB 标志位，当这个标志位为 SET 状态的时候，表示本次系统是从待机模式唤醒的复位，否则可能是上电复位。
我们利用这个区分两种复位形式，分别使用蓝色 LED 灯或绿色 LED 灯来指示。

在使用库函数 HAL_PWR_EnableWakeUpPin 发送待机命令前，要先使用库函数 __HAL_PWR_CLEAR_FLAG 清除 PWR_FLAG_WU 标志位，并且使用库函数 HAL_PWR_EnableWakeUpPin 使能 WKUP 唤醒功能，这样进入待机模式后才能使用 WKUP 唤醒。

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
     
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("standby mode test\r\n");

  if(__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_SB) == SET) 
  {
     
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_SB);
    printf("\r\n standby reset \r\n");
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, LED_B_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  }
  else 
  {
     
    printf("\r\n normal reset \r\n");
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, LED_G_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  }
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
     
    HAL_Delay(5000);
    /*清除 WU 状态位*/
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
    /* 使能 WKUP 引脚的唤醒功能 ，使能 PA0*/
    HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);
    /* 进入待机模式 */
    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

3.2 RTC时钟唤醒

3.2.1 添加RTC时钟

查看 STM32CubeMX学习笔记（14）——RTC实时时钟使用

3.1.2 添加LED灯

添加绿灯 PB0 表示本次复位是上电或引脚复位，蓝灯 PB1 表示本次是待机唤醒的复位。
查看 STM32CubeMX学习笔记（2）——GPIO接口使用

3.1.3 添加串口打印

添加 USART1 用于打印信息。
查看 STM32CubeMX学习笔记（6）——USART串口使用

3.2.4 使能RTC闹钟中断

3.2.5 生成代码

输入项目名和项目路径

选择应用的 IDE 开发环境 MDK-ARM V5

每个外设生成独立的 ’.c/.h’ 文件
不勾：所有初始化代码都生成在 main.c
勾选：初始化代码生成在对应的外设文件。 如 GPIO 初始化代码生成在 gpio.c 中。

点击 GENERATE CODE 生成代码

3.2.6 添加RTC闹钟中断启动函数

void RTC_AlarmStart(void)
{
     
    RTC_AlarmTypeDef sAlarm = {
     0};
    RTC_TimeTypeDef tim = {
     0};

    // 获取当前时间
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &tim, RTC_FORMAT_BIN);

    sAlarm.AlarmTime.Hours = tim.Hours;
    sAlarm.AlarmTime.Minutes = tim.Minutes;
    sAlarm.AlarmTime.Seconds = tim.Seconds + 3;  /* 设置下次闹钟提醒时间是当前时间的3s之后 */
    sAlarm.Alarm = RTC_ALARM_A;

    // 启动闹钟中断事件
    HAL_RTC_SetAlarm_IT(&hrtc, &sAlarm, RTC_FORMAT_BIN);
}

3.2.7 修改main函数

程序中首先初始化了系统时钟、LED 灯及串口以便用于指示芯片的运行状态，由于待机模式唤醒使用 WKUP 引脚并不需要特别的引脚初始化。

使用库函数 __HAL_PWR_GET_FLAG 检测 PWR_FLAG_SB 标志位，当这个标志位为 SET 状态的时候，表示本次系统是从待机模式唤醒的复位，否则可能是上电复位。
我们利用这个区分两种复位形式，分别使用蓝色 LED 灯或绿色 LED 灯来指示。

在使用库函数 HAL_PWR_EnableWakeUpPin 发送待机命令前，要先使用库函数 __HAL_PWR_CLEAR_FLAG 清除 PWR_FLAG_WU 标志位，并且使用库函数 HAL_PWR_EnableWakeUpPin 使能 WKUP 唤醒功能，这样进入待机模式后才能使用 WKUP 唤醒。

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
     
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("standby mode test\r\n");

  if(__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_SB) == SET) 
  {
     
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_SB);
    printf("\r\n standby reset \r\n");
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, LED_B_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  }
  else 
  {
     
    printf("\r\n normal reset \r\n");
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, LED_G_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  }
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
     
    HAL_Delay(5000);
    RTC_AlarmStart();
    /*清除 WU 状态位*/
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
    /* 使能 WKUP 引脚的唤醒功能 ，使能 PA0*/
    HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);
    /* 进入待机模式 */
    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

四、注意事项

用户代码要加在 USER CODE BEGIN N 和 USER CODE END N 之间，否则下次使用 STM32CubeMX 重新生成代码后，会被删除。

进入低功耗之前可以将引脚全部配置为浮空输入或者Anglog模式，这样最省电，如果你是用STM32CUBEMX，在这里可以看到这么一项配置就是将没有用到的引脚配置为了Anglog模式：

当系统处于睡眠模式低功耗状态时(包括后面讲解的停止模式及待机模式)，使用 DAP 下载器是无法给芯片下载程序的，所以下载程序时要先把系统唤醒。或者使用如下方法：按着板子的复位按键，使系统处于复位状态，然后点击电脑端的下载按钮下载程序，这时再释放复位按键，就能正常给板子下载程序了。

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• 由 Leung 写于 2021 年 3 月 11 日

• 参考：STM32CubeMX系列教程14:电源控制器(PWR)
　　　　STM32MX电源管理低功耗模式
　　　　STM32F1系列使用HAL库低功耗STOP和STANDBY模式唤醒（RTC时钟唤醒+外部中断唤醒示例）
　　　　《嵌入式-STM32开发指南》第二部分 基础篇 - 第10章 低功耗（HAL库）