【零基础勇闯嵌入式岗】从单片机低功耗中获得的启发

Wendy_robot2025-06-13 22:42

今天投了一个嵌入式岗，面试官小哥哥问我怎么实现单片机低功耗

嗯，单片机是低功耗了，我CPU干烧了，感觉自己当场就红温了。😭

其实感觉这篇可以写一个《十分钟速通0offer，让面试官无话可说》，但这样显得我很菜，很没有自己的思考，万一以后真的有面试官点开我的简历上的小小的链接，看我的博客呢，哈哈。😳

所以干脆学习了一下单片机低功耗的设计，然后简单讲一下自己的启发。💪

首先了解一下电源控制的结构


STM32 的工作电压通过VDD引脚输入，一般为2.0～3.6V。

STM32通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。

STM32为ADC提供了一个独立的电源供电，这样可以过滤和屏蔽来自印刷电路板上的毛刺干扰，提高转换的精确度。ADC系统的电源引脚为VDDA，接地引脚为VSSA。

为了确保模拟输入为低电压时，能够获得更好的精度，用户可以连接一个独立的外部参考电压ADC到VREF+和VREF-引脚上。在VREF+的电压范围为0V～VDDA，VREF-引脚必须连接到VSSA。

并不是所有的封装都有VREF+、VREF-引脚，对于一些少引脚的封装，ADC的电源和地的引脚与内部的ADC参考电压的引脚相连。

STM32 还提供了备份电池的功能，当主电源VDD掉电后，通过VBAT引脚为实时时钟（RTC）和备份寄存器提供电源，可以保存备份寄存器的内容。

切换到 VBAT 供电由复位模块中的掉电复位功能控制。

如果应用中没有使用外部电池，VBAT必须连接到VDD引脚上。

STM32内部提供了电压调节器，复位后电压调节器总是使能的。根据应用方式它以如下三种不同的模式工作。

  • 运转模式：电压调节器以正常功耗模式提供1.8V电源，供内核，内存和外设使用。
  • 停止模式：电压调节器以低功耗模式提供1.8V电源，以保存STM32 内部寄存器和SRAM的内容。
  • 待机模式：电压调节器停止供电。除了STM32内部的备用电路和备份领域以外，STM32寄存器和SRAM的内容全部丢失。

1. (VDDA) 模拟电源域

  • 模块 ：A/D converter（ADC，模数转换器）、Temp.sensor（温度传感器）、Reset block（复位模块）、PLL（锁相环）。
  • 电源与参考 ：由 V_DDA（模拟电源）和 V_SSA（模拟地）供电，参考电压 V_REF+/V_REF- 范围覆盖 0V 到 VDDA（适配不同模拟输入范围）。
  • 设计意图 ：模拟电路对噪声敏感，独立电源域可减少数字电路的噪声干扰，保证ADC精度、PLL稳定性等。

PLL 锁相环是嵌入式系统中 时钟管理的核心组件 ，其作用可概括为：
频率变换 ：倍频或分频，满足不同模块的时钟需求；
相位同步 ：确保时钟信号的稳定性和低抖动；
系统优化：结合电源管理，平衡性能与功耗。

2. (VDD) 主电源域（典型 3.3V）

  • 模块 ：
    • I/O Ring ：I/O接口电路，负责外部信号收发。
    • STANDBY circuitry ：待机电路（唤醒逻辑、独立看门狗 IWDG），实现低功耗待机和异常唤醒。
    • Voltage Regulator ：电压调节器，将 VDD（3.3V）转换为 1.8V，给下一级数字域供电。
    • Low voltage detector ：低电压检测器，监测 VDD 电压，过低时触发待机/复位，保护系统。

3. 1.8V 数字核心域

  • 模块 ：Core（处理器核心）、Memories（存储器）、digital peripherals（数字外设，如定时器、通信接口等）。
  • 设计意图 ：数字电路（尤其高频核心）采用更低电压（1.8V），降低功耗和发热，提升能效；由主域的调节器供电，简化电源管理。

4. Backup domain（备份域）

  • 模块 ：
    • LSE crystal 32K osc ：32.768kHz 低速外部振荡器（给RTC提供时钟）。
    • BKP registers：备份寄存器（掉电时保存关键数据）。
    • RCC BDCR register：复位与时钟控制的备份域寄存器（保存时钟配置）。
    • RTC：实时时钟（持续计时，不受主电源掉电影响）。
  • 电源 ：可切换为 V_BAT（电池）或 V_DD（主电源）。主电源正常时由 VDD 供电，主电源掉电时自动切换到电池 ，保证备份域持续运行（如RTC计时、数据保存）。

设计逻辑

  1. 噪声隔离 ：模拟域（VDDA）与数字域（VDD/1.8V）分开，避免数字噪声干扰模拟信号（如ADC采样）。
  2. 功耗分层 ：核心域用低压（1.8V）降功耗，主域负责I/O和电源转换，备份域仅保留关键功能（低功耗待机）。
  3. 掉电保护：备份域通过电池备份，确保RTC、关键寄存器在主电源中断时不丢失数据，实现"断电记忆"。

低功耗模式

在STM32复位以后，微控制器处于运行状态，此时HCLK为CPU提供时钟，内核开始执行程序代码。

当CPU不需继续运行任务时，可以设置为低功耗模式来节省功耗。STM32的低功耗模式如下：
1. 睡眠模式（SLEEP-NOW 或 SLEEP-ON-EXIT）

  • 进入操作 ：
    • WFI（Wait For Interrupt，等待中断）：CPU等待中断触发，进入睡眠。
    • WFE（Wait For Event，等待事件）：CPU等待"唤醒事件"（如外部信号、定时器触发等），进入睡眠。
  • 唤醒方式 ：
    • WFI 模式：任一中断 均可唤醒（如外部中断、定时器中断等）。
    • WFE 模式：需特定 唤醒事件 （由硬件或软件标记的事件，如GPIO电平变化）。
  • 时钟影响 ：
    • 1.8V区域时钟 ：CPU时钟关闭，但 其他外设时钟（如ADC、定时器）仍运行 （仅CPU暂停）。
    • VDD区域时钟：无特殊处理。
  • 电压调节器 ：保持 开启（功耗中等，因为电源未深度关闭）。

2. 停机模式（Stop Mode）

  • 进入条件 ：需同时设置
    • PDDS（Power Down Deep Sleep，深度睡眠电源-down）+ LPDS（Low Power Deep Sleep，低功耗深度睡眠）位，
    • 配合 SLEEPDEEP 位（启用深度睡眠），
    • 再通过 WFI 或 WFE 触发进入。
  • 唤醒方式 ：任一外部中断（需在外部中断寄存器中预先配置允许的中断源）。
  • 时钟影响 ：
    • 1.8V区域时钟 ：所有1.8V域的时钟（含CPU、外设）完全关闭 ，且 HSI（高速内部时钟）、HSE（高速外部时钟）振荡器停止（彻底断供时钟）。
    • VDD区域时钟：无影响。
  • 电压调节器 ：可 配置为"开/关" （通过 PWR_CR 寄存器设置），灵活控制功耗（关时功耗更低，但唤醒后需要重新稳定电源）。

3. 待机模式（Standby Mode）

  • 进入条件 ：需设置
    • PDDS 位 + SLEEPDEEP 位，
    • 配合 WFI 或 WFE 触发（无需LPDS位，与停机模式的核心差异）。
  • 唤醒方式 ：仅支持 特定高优先级事件 ：
    • WKUP 引脚的上升沿（唤醒引脚），
    • RTC警告事件（实时时钟的闹钟/警告），
    • NRST 引脚的外部复位，
    • IWDG（独立看门狗）复位。
  • 时钟影响 ：同停机模式（1.8V域时钟全关，HSI、HSE振荡器停止）。
  • 电压调节器 ：强制关闭（功耗最低，因为电源彻底断供，唤醒后需重新初始化电源）。

模式对比总结

维度 睡眠模式 停机模式 待机模式
功耗等级 中等（仅CPU暂停） 低（时钟全关，电源可配） 极低（电源彻底关闭）
唤醒速度 最快（无需重启时钟/电源） 中等（需恢复时钟，电源可选） 最慢（需重启电源+时钟）
应用场景 短时暂停，快速响应 中度低功耗，需保留部分功能 长时休眠，极致省电

电源控制（PWR）的编程方法

STM32微处理器提高了强大的电源控制能力，可用于电源管理和低功耗模式选择。

通过相应的寄存器可以实现灵活多变的功能配置。

ST公司还提供了完善的电源控制（PWR）接口库函数，其位于stm32f10x_pwr.c，对应的头文件为stm32f10x_pwr.h。

  1. PWR_DeInit函数：用于将PWR外围寄存器复位为默认值。
  2. PWR_BackupAccessCmd函数：用于使能或者禁用RTC和备份寄存器的访问。
  3. PWR_PVDCmd函数：用于使能或者禁用电源电压探测器（PVD）。
  4. PWR_PVDLevelConfig函数：用于配置由电源电压探测器检测的电压门限值。
  5. PWR_WakeUpPinCmd函数：用于使能或者禁用唤醒引脚的功能。
  6. PWR_EnterSTOPMode函数：用于进入STOP模式。
  7. PWR_EnterSTANDBYMode函数：用于进入STANDBY模式。
  8. PWR_GetFlagStatus函数：用于获取指定PWR标志位的状态。
  9. PWR_ClearFlag函数：用于清除PWR挂起标志位。

GPIO寄存器结构

在STM32的固件开发中，PWR_TypeDef 结构体用于定义电源控制（PWR）模块的寄存器映射。

c 复制代码 
typedef struct
{
  vu32 CR;  // 电源控制寄存器（Power Control Register）
  vu32 CSR; // 电源控制状态寄存器（Power Control Status Register）
} PWR_TypeDef;

  • vu32 类型说明 ：
    vu32 是固件库中定义的类型别名，等价于 volatile uint32_t。

    • volatile：确保编译器不会优化对寄存器的访问，保证每次操作都直接读写硬件寄存器。
    • uint32_t：表示32位无符号整数，与STM32寄存器宽度一致。

  • 成员功能概述：

    成员 寄存器全称 功能描述
    CR 电源控制寄存器 配置低功耗模式（STOP/STANDBY）、备份区域访问、可编程电压检测（PVD）等。
    CSR 电源控制状态寄存器 读取电源状态标志（如唤醒标志、PVD触发状态、低功耗模式进入状态等）。

关键寄存器位详解

1. 电源控制寄存器（CR，地址偏移：0x00）

位段 名称 描述
CR.LPDS 位1 STOP模式下调压器配置： 0 = 正常模式（调压器开启） 1 = 低功耗模式（调压器关闭）
CR.PDDS 位2 STANDBY模式下调压器配置： 0 = 正常模式 1 = 关闭调压器（最低功耗）
CR.DBP 位8 备份区域访问使能： 0 = 禁止访问备份寄存器（BKP）和RTC 1 = 允许访问
CR.PVDE 位4 可编程电压检测（PVD）使能： 0 = 禁止 1 = 使能
CR.PLS[7:5] 位7-5 PVD阈值等级配置（共5级，如PWR_PVDLevel_2对应约2.9V阈值）

2. 电源控制状态寄存器（CSR，地址偏移：0x04）

位段 名称 描述
CSR.WUF 位2 唤醒标志： 1 = 系统从STANDBY模式唤醒（需软件清零）
CSR.SB 位3 STANDBY模式标志： 1 = 系统处于STANDBY模式
CSR.PVDO 位5 PVD输出状态： 1 = 电源电压低于设定阈值

PWR_DeInit() 函数用于复位电源控制（PWR）模块，将其寄存器恢复为默认值。

实现原理

STM32的外设复位通过 RCC（复位与时钟控制）模块 实现。PWR模块挂载在 APB1总线 上，因此可通过RCC的外设复位功能对其进行复位：

  1. 使能复位信号 （ENABLE）：向PWR模块发送复位脉冲，强制寄存器清零。
  2. 禁用复位信号 （DISABLE）：移除复位脉冲，使PWR模块恢复正常工作状态。
c 复制代码 
void PWR_DeInit(void)
{
  // 步骤1：使能PWR模块的复位信号
  RCC_APB1PeriphResetCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
  
  // 步骤2：禁用PWR模块的复位信号
  RCC_APB1PeriphResetCmd(RCC_APB1Periph_PWR, DISABLE);
}

关键函数 RCC_APB1PeriphResetCmd

  • 功能 ：控制APB1总线上外设的复位状态。
  • 参数 ：
    • RCC_APB1Periph_PWR：指定复位对象为PWR模块。
    • ENABLE/DISABLE：控制复位信号的开启或关闭。
  • 执行流程 ：
    1. 当 ENABLE 时，RCC向PWR模块发送复位信号，PWR寄存器被强制清零。
    2. 当 DISABLE 时，复位信号停止，PWR模块退出复位状态，寄存器保持默认值。

PWR模块默认寄存器值

1. 电源控制寄存器（CR）

位段 默认值 描述
CR.LPDS 0 STOP模式下调压器为正常模式（调压器开启）
CR.PDDS 0 STANDBY模式下调压器为正常模式
CR.DBP 0 禁止访问备份寄存器（BKP）和RTC
CR.PVDE 0 可编程电压检测（PVD）功能禁用

2. 电源控制状态寄存器（CSR）

位段 默认值 描述
CSR.WUF 0 唤醒标志未置位（系统未从STANDBY模式唤醒）
CSR.SB 0 系统未处于STANDBY模式
CSR.PVDO 0 电源电压正常（未低于PVD阈值）

PWR_BackupAccessCmd 函数用于控制备份区域（Backup Domain）的访问权限。

备份区域通常包括实时时钟（RTC）和备份寄存器（BKP），这些资源在系统复位或进入低功耗模式时仍需保留数据，因此需要独立的权限控制。

  • 当需要配置RTC或操作备份寄存器时，必须先调用 ENABLE 开启访问权限。
  • 操作完成后，建议调用 DISABLE 关闭权限，以防止意外修改。

关键寄存器位

  • PWR_CR寄存器的DBP位（位8） ：
    • DBP = 1：允许访问备份区域（RTC和BKP寄存器）。
    • DBP = 0：禁止访问（默认状态），此时对备份区域的写操作会被忽略。
c 复制代码 
void PWR_BackupAccessCmd(FunctionalState NewState)
{
  // 步骤1：参数合法性检查
  assert(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));  // 确保NewState为ENABLE或DISABLE

  // 步骤2：通过位带操作直接修改DBP位
  *(vu32 *) CR_DBP_BB = (u32)NewState;
}

1. 参数检查 assert(IS_FUNCTIONAL_STATE)

  • 目的 ：确保输入参数 NewState 是有效值（ENABLE 或 DISABLE），防止非法参数导致寄存器错误配置。

  • 实现 ：通过固件库中的宏 IS_FUNCTIONAL_STATE 检查参数，该宏通常定义为：

    c 复制代码 
    #define IS_FUNCTIONAL_STATE(STATE) ((STATE == DISABLE) || (STATE == ENABLE))

2. 位带操作 *(vu32 *) CR_DBP_BB = ...

  • 位带操作（Bit-Banding）原理 ：
    STM32的位带技术允许将外设寄存器的某一位映射到一个唯一的内存地址，通过访问该地址即可直接操作对应位，无需读写整个寄存器。

    • 优点：代码更简洁，操作具有原子性（避免中断干扰）。

  • CR_DBP_BB 的定义 ：
    CR_DBP_BB 是一个宏，用于计算PWR_CR寄存器中DBP位（位8）的位带地址。假设：

    • PWR_CR的物理地址为 0x40007000（APB1外设基址 + PWR模块偏移）。
    • 位带区基址为 0x42000000（外设位带区，不同芯片可能不同，需参考《STM32参考手册》）。
      则 CR_DBP_BB 的计算方式为：
    c 复制代码 
    #define PWR_CR_ADDR  ((uint32_t)0x40007000)  // PWR_CR物理地址
#define BITBAND_PERIPH_BASE  ((uint32_t)0x42000000)  // 外设位带基址
#define CR_DBP_POS  8  // DBP位位于PWR_CR的第8位
#define CR_DBP_BB  (BITBAND_PERIPH_BASE + (PWR_CR_ADDR - PERIPH_BASE) * 32 + CR_DBP_POS * 4)

    其中，PERIPH_BASE 为APB1外设基址（通常为 0x40000000）。

  • 指针强制类型转换 ：
    (vu32 *) CR_DBP_BB 将位带地址转换为 volatile uint32_t 类型的指针，确保直接操作内存时的类型安全和volatile特性（防止编译器优化）。

  • 赋值操作 ：
    (u32)NewState 将 ENABLE/DISABLE（本质是 1/0）转换为32位无符号整数，写入位带地址，等效于直接操作PWR_CR的DBP位。

PWR_PVDCmd 函数用于控制可编程电压检测器（PVD）的使能状态。

PVD 用于监测电源电压（VDD），当电压低于设定阈值时触发中断，常用于系统低电压保护或电源状态监控。

  • 启用或禁用PVD功能 ：
    • ENABLE：使能PVD，开始监测电源电压，当电压低于阈值时触发中断（通过EXTI线16）。
    • DISABLE：禁用PVD，停止电压监测。

关键寄存器位

  • PWR_CR寄存器的PVDE位（位4） ：
    • PVDE = 1：使能PVD，允许电压检测。
    • PVDE = 0：禁用PVD（默认状态）。
c 复制代码 
void PWR_PVDCmd(FunctionalState NewState)
{
  // 步骤1：参数合法性检查
  assert(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));  // 确保NewState为ENABLE或DISABLE

  // 步骤2：通过位带操作直接修改PVDE位
  *(vu32 *) CR_PVDE_BB = (u32)NewState;
}

PWR_PVDLevelConfig 函数用于配置电源电压检测（PVD）的触发等级

c 复制代码 
void PWR_PVDLevelConfig(u32 PWR_PVDLevel)
{
  u32 tmpreg = 0;                          // 定义临时寄存器变量
  assert(IS_PWR_PVD_LEVEL(PWR_PVDLevel));   // 检查输入参数是否合法
  tmpreg = PWR->CR;                        // 读取PWR控制寄存器（CR）的值
  tmpreg &= CR_PLS_Mask;                   // 清除CR寄存器中的PLS位（电压级别配置位）
  tmpreg |= PWR_PVDLevel;                  // 设置新的电压级别到PLS位
  PWR->CR = tmpreg;                        // 将更新后的值写回CR寄存器
}
  1. 参数检查
    assert(IS_PWR_PVD_LEVEL(PWR_PVDLevel)) 用于确保输入的 PWR_PVDLevel 是合法值。
    • 合法值范围 ：通常对应芯片手册中定义的电压级别枚举值（如 PWR_PVDLevel_0、PWR_PVDLevel_1 等，每个级别对应不同的电压阈值，例如STM32中常见阈值有2.0V、2.2V、2.5V等）。
  2. 寄存器操作
    • PWR->CR ：PWR控制寄存器，其中 PLS位（第7-5位） 用于配置PVD的电压检测级别。
    • 清除PLS位 ：tmpreg &= CR_PLS_Mask 使用掩码（如 0x1F800000）清除CR寄存器中的PLS位，避免旧配置影响新值。
    • 设置新级别 ：tmpreg |= PWR_PVDLevel 将输入的电压级别值写入PLS位，完成配置。

关键知识点

  1. PVD（电源电压检测）

    • 作用：监测系统电源电压（VDD），当电压低于设定阈值时，触发中断或复位，防止系统在低电压下异常工作。

    • 阈值配置：通过PLS位选择不同的电压阈值，具体阈值需参考芯片数据手册（如STM32F10x系列中，PLS位与电压的对应关系如下）：

      PLS值 电压阈值（典型值）
      PWR_PVDLevel_0 2.0V
      PWR_PVDLevel_1 2.2V
      PWR_PVDLevel_2 2.5V
      PWR_PVDLevel_3 2.7V
      PWR_PVDLevel_4 2.9V
      PWR_PVDLevel_5 3.0V

  2. 寄存器操作原理

    • 通过"读-改-写"操作修改寄存器，确保其他位不受影响。
    • CR_PLS_Mask 是一个宏定义，用于屏蔽PLS位以外的位（如 #define CR_PLS_Mask ((uint32_t)0x1F800000)）。

PWR_WakeUpPinCmd 函数用于控制唤醒引脚（Wake-Up Pin）的使能状态

该功能主要用于从 STANDBY模式 或 STOP模式 等低功耗模式中唤醒系统。

  • 启用或禁用唤醒引脚功能 ：
    • ENABLE：使能指定的唤醒引脚（如WKUP1或WKUP2），允许其通过上升沿信号唤醒处于低功耗模式的芯片。
    • DISABLE：禁用唤醒引脚（默认状态），此时引脚信号无法触发唤醒。

关键寄存器位

  • PWR控制与状态寄存器（PWR_CSR）的EWUPx位 ：
    • 不同STM32型号支持的唤醒引脚数量不同（如STM32F103支持1个唤醒引脚WKUP1，对应EWUP位；STM32F407支持2个引脚WKUP1和WKUP2，对应EWUP1和EWUP2位）。
    • 以STM32F103为例，EWUP位（PWR_CSR位8）控制WKUP1引脚的使能：
      • EWUP = 1：使能WKUP1引脚的唤醒功能。
      • EWUP = 0：禁用（默认状态）。
c 复制代码 
void PWR_WakeUpPinCmd(FunctionalState NewState)
{
  // 步骤1：参数合法性检查
  assert(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));  // 确保NewState为ENABLE或DISABLE

  // 步骤2：通过位带操作直接修改EWUP位
  *(vu32 *) CSR_EWUP_BB = (u32)NewState;
}

PWR_EnterSTOPMode 函数用于使芯片进入STOP模式

通过配置电源调节器（Regulator）和进入方式（WFI/WFE）实现不同等级的低功耗优化。
STOP模式特性

  • 功耗优化 ：
    • 关闭CPU和所有外设时钟，但保留SRAM、寄存器内容及备份域（Backup Domain）。
    • 通过配置电源调节器（PWR_Regulator）可进一步降低功耗：
      • 正常模式（PWR_Regulator_Normal）：调节器保持全速运行，唤醒速度快，功耗较高。
      • 低功耗模式（PWR_Regulator_LowPower） ：调节器进入低功耗状态，唤醒时需重新调整，功耗更低（仅部分型号支持，如STM32F4/F7）。
  • 唤醒方式 ：
    • 通过 EXTI中断/事件 （如按键、定时器触发）或 唤醒引脚（WKUP） 的上升沿退出STOP模式，系统时钟自动恢复。

关键寄存器

  1. PWR控制寄存器（PWR_CR） ：
    • LPDS位（位21） ：设置调节器模式（仅STM32F4/F7等支持低功耗调节器的型号）：
      • LPDS=0：正常模式（默认）。
      • LPDS=1：低功耗模式。
    • PDDS位（位22） ：控制深度睡眠时的电源状态（与SLEEPDEEP配合）：
      • PDDS=0：睡眠模式下调节器保持运行。
      • PDDS=1：STOP模式下调节器根据LPDS配置工作。
  2. 系统控制寄存器（SCB_SysCtrl，属于Cortex-M内核寄存器） ：
    • SLEEPDEEP位（位1） ：
      • SLEEPDEEP=0：进入睡眠模式（SLEEP）。
      • SLEEPDEEP=1：进入深度睡眠模式（STOP/STANDBY）。
c 复制代码 
void PWR_EnterSTOPMode(u32 PWR_Regulator, u8 PWR_STOPEntry)
{
  u32 tmpreg = 0;
  // 步骤1：参数合法性检查
  assert(IS_PWR_REGULATOR(PWR_Regulator));  // 检查调节器模式（Normal/LowPower）
  assert(IS_PWR_STOP_ENTRY(PWR_STOPEntry)); // 检查进入方式（WFI/WFE）

  // 步骤2：配置PWR_CR寄存器的PDDS和LPDS位
  tmpreg = PWR->CR;
  tmpreg &= CR_DS_Mask;  // 清除PDDS（位22）和LPDS（位21）
  tmpreg |= PWR_Regulator;  // 写入调节器模式（LPDS位）
  PWR->CR = tmpreg;        // 保存配置

  // 步骤3：设置Cortex-M内核进入深度睡眠模式
  *(vu32 *) SCB_SysCtrl |= SysCtrl_SLEEPDEEP_Set;  // 置位SLEEPDEEP位

  // 步骤4：根据进入方式触发STOP模式
  if (PWR_STOPEntry == PWR_STOPEntry_WFI)
  {
    __WFI();  // 等待中断（WFI指令触发STOP模式）
  }
  else
  {
    __WFE();  // 等待事件（WFE指令触发STOP模式）
  }
}

1. 参数检查宏定义

  • IS_PWR_REGULATOR ：
    确保PWR_Regulator为有效值，如：

    c 复制代码 
    #define IS_PWR_REGULATOR(REGULATOR) \
  ((REGULATOR == PWR_Regulator_Normal) || (REGULATOR == PWR_Regulator_LowPower))

  • IS_PWR_STOP_ENTRY ：
    确保进入方式为PWR_STOPEntry_WFI或PWR_STOPEntry_WFE。

2. CR_DS_Mask 的作用

  • 定义示例 ：

    c 复制代码 
    #define CR_DS_Mask    ((uint32_t)~(PWR_CR_PDDS | PWR_CR_LPDS))  // 0xFFFFFF3F（假设PDDS=22，LPDS=21）
    • 清除PDDS和LPDS位，避免干扰其他位（如PVD配置）。
    • 通过PWR_Regulator参数写入新的LPDS值（若支持低功耗调节器）。

3. 深度睡眠位（SLEEPDEEP）的设置

  • 位带操作解析 ：
    SCB_SysCtrl对应Cortex-M内核的系统控制寄存器（地址0xE000ED10），SLEEPDEEP位（位1）通过位带操作直接置1，使能深度睡眠模式。

    • 等效于传统操作：

      c 复制代码 
      SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;  // SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk = 0x00000002

4. __WFI() vs __WFE()

  • __WFI()（Wait For Interrupt） ：
    • 进入STOP模式后，仅当 中断（IRQ） 触发时唤醒（需提前使能对应EXTI中断并配置NVIC）。
  • __WFE()（Wait For Event） ：
    • 通过 事件（Event） 唤醒（如EXTI事件，无需中断控制器参与），功耗更低（无需清除中断标志）。

PWR_EnterSTANDBYMode 函数使芯片进入STANDBY模式（待机模式）

这是STM32功耗最低的工作模式。

STANDBY模式特性

  • 极致低功耗 ：

    • 关闭所有时钟（包括HSI/HSE/RTC时钟，除非配置为保持运行）、内核、外设及SRAM。
    • 仅保留 备份域寄存器（Backup Domain） 和 可选的RTC时钟 （需额外配置），功耗可低至数微安（μA）级别。

  • 唤醒方式 ：

    • 仅能通过 外部唤醒事件 触发：
      1. WKUP引脚上升沿 （WKUP1/WKUP2，需提前使能）。
      2. RTC闹钟事件 （需配置RTC在STANDBY模式下运行）。
      3. NRST引脚复位（硬复位）。

  • 关键差异（与STOP模式对比） ：

    特性 STOP模式 STANDBY模式
    SRAM/寄存器保留 是 否（仅备份域保留）
    唤醒后状态 恢复运行（非复位） 系统复位（从启动代码运行）
    典型功耗（STM32F4） 约1.5mA（正常调节器） 约1.5μA
c 复制代码 
void PWR_EnterSTANDBYMode(void)
{
  // 步骤1：清除唤醒标志（CWUF）
  PWR->CR |= CR_CWUF_Set;  
  // 步骤2：设置PDDS位，选择STANDBY模式
  PWR->CR |= CR_PDDS_Set;  
  // 步骤3：使能深度睡眠模式（Cortex-M内核控制）
  *(vu32 *) SCB_SysCtrl |= SysCtrl_SLEEPDEEP_Set;  
  // 步骤4：执行WFI指令进入STANDBY模式
  __WFI();  
}

1. 清除唤醒标志（CR_CWUF_Set）

  • 寄存器位解析 ：

    • PWR_CR的CWUF位（位23）：唤醒标志，进入STANDBY模式前需手动清除，否则可能导致模式进入失败。
    • 操作方式：通过写1清除（STM32寄存器特性：某些标志位需写1清除）。

  • 代码等效操作 ：

    c 复制代码 
    PWR->CR |= (1 << 23);  // 等价于宏定义CR_CWUF_Set

2. 设置PDDS位（CR_PDDS_Set）

  • PDDS位（位22）的作用 ：

    • PDDS=1：当SLEEPDEEP=1（深度睡眠）时，进入 STANDBY模式（而非STOP模式）。
    • PDDS=0：深度睡眠时进入STOP模式（由PWR_Regulator配置调节器模式）。

  • 宏定义示例 ：

    c 复制代码 
    #define CR_PDDS_Set    PWR_CR_PDDS  // PWR_CR_PDDS = 0x00004000（位22）

3. 使能深度睡眠模式（SLEEPDEEP）

  • Cortex-M内核控制 ：

    • SCB_SysCtrl寄存器（系统控制寄存器）的SLEEPDEEP位（位1） ：

      • SLEEPDEEP=0：普通睡眠模式（SLEEP）。
      • SLEEPDEEP=1：深度睡眠模式（STOP/STANDBY）。

    • 位带操作解析 ：
      通过指针直接操作SCB_SysCtrl的SLEEPDEEP位，等效于：

      c 复制代码 
      SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;  // SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk = 0x00000002

4. 执行WFI指令（__WFI()）

  • 指令作用 ：
    • WFI（Wait For Interrupt） ：等待中断触发，触发后若SLEEPDEEP=1且PDDS=1，则进入STANDBY模式。
    • 替代方案 ：若使用事件唤醒，可调用__WFE()（Wait For Event），但STANDBY模式通常通过中断唤醒。

PWR_GetFlagStatus 函数用于读取电源控制（PWR）模块的标志位状态

主要用于判断低功耗模式（如STANDBY、STOP）的进入或唤醒事件是否发生。

c 复制代码 
FlagStatus PWR_GetFlagStatus(u32 PWR_FLAG)
{
  FlagStatus bitstatus = RESET;
  // 步骤1：参数合法性检查
  assert(IS_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG));  // 确保PWR_FLAG为有效标志位

  // 步骤2：读取PWR_CSR寄存器并判断目标标志位
  if ((PWR->CSR & PWR_FLAG) != (u32)RESET)
  {
    bitstatus = SET;  // 标志位已置位
  }
  else
  {
    bitstatus = RESET;  // 标志位未置位
  }
  return bitstatus;
}

1. 参数检查宏 IS_PWR_GET_FLAG

  • 作用 ：确保输入的PWR_FLAG为有效值，避免访问无效寄存器位。

  • 宏定义示例 ：

    c 复制代码 
    #define IS_PWR_GET_FLAG(FLAG) \
  ((FLAG == PWR_FLAG_SB) || (FLAG == PWR_FLAG_WU) || (FLAG == PWR_FLAG_CWUF))

    不同STM32型号支持的标志位可能不同（如F1系列与F4系列略有差异），需以芯片手册为准。

2. 寄存器读取与标志位判断

  • 核心逻辑 ：

    通过位运算（PWR->CSR & PWR_FLAG）检查目标标志位是否为1：

    • 若结果非零（SET），说明标志位被置位（如系统刚从STANDBY模式唤醒）。
    • 若结果为零（RESET），说明标志位未激活。

  • 示例场景 ：

    检查是否从STANDBY模式唤醒：

    c 复制代码 
    if (PWR_GetFlagStatus(PWR_FLAG_SB) == SET)
{
  PWR_ClearFlag(PWR_FLAG_SB);  // 清除STANDBY标志（部分型号需通过此函数清除）
  // 执行唤醒后初始化操作
}

PWR_ClearFlag 函数用于清除电源控制（PWR）模块的标志位

这些标志位通常与低功耗模式（如STANDBY、STOP）的唤醒事件相关。

c 复制代码 
void PWR_ClearFlag(u32 PWR_FLAG)
{
  assert(IS_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG));  // 检查参数有效性
  PWR->CR |=  PWR_FLAG << 2;             // 向PWR_CR寄存器写入标志位（左移2位）
}

1. 参数检查宏 IS_PWR_CLEAR_FLAG

  • 作用 ：确保输入的PWR_FLAG为支持的标志位，例如：

    c 复制代码 
    #define IS_PWR_CLEAR_FLAG(FLAG) \
  ((FLAG == PWR_FLAG_WU) || (FLAG == PWR_FLAG_SB) || (FLAG == PWR_FLAG_CWUF))

2. PWR->CR |= PWR_FLAG << 2 的疑问

  • 寄存器选择争议 ：

    • 常规设计 ：
      唤醒标志（如PWR_FLAG_WU）通常存储在 PWR状态寄存器（PWR_CSR） 中，而非控制寄存器（PWR_CR）。清除操作应针对PWR_CSR寄存器。
    • 代码潜在问题 ：
      若代码中直接操作PWR_CR，可能存在寄存器选择错误。例如：
      • PWR_FLAG_WU对应PWR_CSR的位2（WU位），清除时需向PWR_CSR的该位写1。
      • PWR_CR的位23（CWUF）用于清除唤醒标志的确认，但与PWR_FLAG_WU无直接关联。

  • 移位逻辑分析 ：
    PWR_FLAG << 2 假设标志位对应PWR_CR的位2及以上，但根据STM32标准外设库，正确的清除操作通常无需移位。例如，清除PWR_FLAG_WU应直接写1到PWR_CSR的WU位（位2）：

    c 复制代码 
    PWR->CSR |= PWR_FLAG_WU;  // 直接操作CSR寄存器，无需移位

    因此，代码中的移位操作可能是 错误的 或 针对非标准寄存器映射的定制化实现。

好了，现在谈谈低功耗单片机给我的启发

单片机思维 1

  • 不用的外设断电；
  • 单片机通过寄存器精准控制外设电源开关。

C++开发启示 1

  • 服务器中若客户端断开连接，立即用close(sockfd)释放套接字资源。
  • 文件读写后用fclose()或RAII机制（智能指针）释放句柄。
  • 用std::unique_ptr替代裸指针，避免内存泄漏（类似单片机用寄存器精准控制单个外设的电源）。
  • 服务器连接池场景：用std::shared_ptr配合引用计数，当连接数降为0时自动释放资源，类似单片机检测到外设无任务时自动断电。

单片机思维 2

运行模式→睡眠模式→待机模式，通过中断触发状态切换，减少无效功耗。

C++开发启示 2

  • 服务器处理完客户端请求后，若客户端暂时无数据发送，将连接设为「休眠状态」（如设置SO_KEEPALIVE心跳包，而非直接关闭连接），类似单片机进入睡眠模式但保留中断响应能力。
  • 对空闲连接（超过30秒无操作）进入「待机状态」：暂停定时器、关闭非必要线程，但保留EPOLL事件监听（类似单片机保留RTC时钟用于唤醒）。
  • 当任务队列空时，让工作线程进入pthread_cond_wait休眠（类似单片机进入睡眠模式），有任务时通过pthread_cond_signal唤醒，避免线程空转消耗CPU（类似外设无效运行耗电）。

单片机思维 3

降频到低频时钟减少功耗，攒够数据再批量处理（如UART攒够一帧再发送）。

C++开发启示 3

  • 服务器高并发场景下，避免每条请求都实时写入日志（高频操作耗IO），用std::queue缓存日志条目，达到100条或500ms时批量写入磁盘，类似单片机攒够数据再通过UART发送：
  • 大文件上传时，若网络波动，可降低传输频率（如从100ms发包一次降到500ms），避免频繁重传消耗带宽（类似单片机降频后用精准延时保证任务完成），可用std::chrono::steady_clock控制发包间隔。

单片机思维 4

外部中断（如按键）高优先级，串口接收低优先级，避免低优先级任务阻塞CPU。

C++开发启示 4

  • 服务器中用epoll监听事件时，将客户端连接断开（EPOLLRDHUP）设为高优先级（必须立即处理，释放资源），普通数据接收设为中优先级，心跳包接收设为低优先级，类似单片机中断优先级管理：

单片机思维 5

唤醒时重新初始化外设耗时耗电，尽量减少唤醒次数，攒够任务再处理。

C++开发启示 5

  • 服务器若用多线程处理请求，避免为每个请求创建新线程（线程创建/销毁开销大，类似单片机唤醒时的初始化成本），用线程池复用线程
  • Redis若频繁失效（唤醒缓存重建），可设置「软过期」+「惰性更新」：缓存过期后不立即重建，而是等请求到来时再更新（类似单片机等任务攒够再唤醒），减少无效唤醒开销。
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