5.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

? PMU原理；

? 低功耗的進(jìn)入以及退出操作；

5.2 實(shí)驗(yàn)原理

5.2.1 PMU結(jié)構(gòu)原理

PMU即電源管理單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)下圖所示，由該圖可知，GD32F4xx系列MCU具有三個(gè)電源域，包括VDD/VDDA電源域、1.2V電源域以及電池備份域，其中，VDD /VDDA域由電源直接供電。在VDD/VDDA域中嵌入了一個(gè)LDO，用來(lái)為1.2V域供電。在備份域中有一個(gè)電源切換器，當(dāng)VDD/VDDA電源關(guān)閉時(shí)，電源切換器可以將備份域的電源切換到VBAT引腳，此時(shí)備份域由VBAT引腳（電池）供電。

1. VDD/VDDA電源域

VDD 域?yàn)閿?shù)字電源域包括 HXTAL（高速外部晶體振蕩器）、 LDO（電壓調(diào)節(jié)器）、 POR / PDR（上電/掉電復(fù)位）、 FWDGT（獨(dú)立看門(mén)狗定時(shí)器）和除 PC13、PC14 和 PC15 之外的所有 PAD 等等。另外，上圖中與PMU控制器連接的PA0、NRST、FWDGT以及RTC表示待機(jī)模式下的喚醒源。VDDA域?yàn)槟M電源域包括 ADC / DAC（AD / DA 轉(zhuǎn)換器）、 IRC16M（內(nèi)部 16M RC 振蕩器）、 IRC32K（內(nèi)部 32KHz RC振蕩器） PLLs（鎖相環(huán)）和 LVD（低電壓檢測(cè)器）等等。

POR / PDR（上電/掉電復(fù)位） 電路檢測(cè)VDD / VDDA并在電壓低于特定閾值時(shí)產(chǎn)生電源復(fù)位信號(hào)復(fù)位除備份域之外的整個(gè)芯片。 下圖顯示了供電電壓和電源復(fù)位信號(hào)之間的關(guān)系。 VPOR 表示上電復(fù)位的閾值電壓，典型值約為 2.45V， VPDR 表示掉電復(fù)位的閾值電壓，典型值約為1.82V。遲滯電壓Vhyst值約為600mV。

GD32F4XX系列MCU具有LVD低電壓檢測(cè)功能，如下圖所示，LVD 的功能是檢測(cè) VDD / VDDA 供電電壓是否低于低電壓檢測(cè)閾值，該閾值由電源控制寄存器（PMU_CTL） 中的 LVDT[2:0]位進(jìn)行配置。 LVD 通過(guò) LVDEN 置位使能，位于電源狀態(tài)寄存器（PMU_CS） 中的 LVDF 位表示低電壓事件是否出現(xiàn)，該事件連接至 EXTI 的第 16 線(xiàn)，用戶(hù)可以通過(guò)配置 EXTI 的第16 線(xiàn)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。 LVD 中斷信號(hào)依賴(lài)于 EXTI 第 16 線(xiàn)的上升或下降沿配置。遲滯電壓 Vhyst值為 100mV。

注意：LVD一般可用于欠壓異常處理或者用于掉電檢測(cè)。

1. 1.2V電源域

1.2V 電源域?yàn)?Cortex?-M4 內(nèi)核邏輯、 AHB / APB 外設(shè)、備份域和 VDD / VDDA域的 APB 接口等供電。若系統(tǒng)系統(tǒng)工作在高頻狀態(tài)建議使能高驅(qū)模式。

1. 電池備份域

電池備份域由內(nèi)部電源切換器來(lái)選擇VDD供電或VBAT（電池）供電，然后由VBAK為備份域供電，該備份域包含RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、 LXTAL（低速外部晶體振蕩器）、 BPOR（備份域上電復(fù)位）、BREG（備份寄存器），以及PC13至PC15共3個(gè)BKPPAD。為了確保備份域中寄存器的內(nèi)容及RTC正常工作，當(dāng)VDD關(guān)閉時(shí)， VBAT引腳可以連接至電池或其他等備份源供電。電源切換器是由VDD / VDDA域掉電復(fù)位電路控制的。對(duì)于沒(méi)有外部電池的應(yīng)用，建議將VBAT引腳通過(guò)100nF的外部陶瓷去耦電容連接到VDD引腳上。

注意： 由于PC13至PC15引腳是通過(guò)電源切換器供電的，電源切換器僅可通過(guò)小電流，因此當(dāng)PC13至PC15的GPIO口在輸出模式時(shí)，其工作的速度不能超過(guò)2MHz（最大負(fù)載為30Pf）。

若讀者有在VDD掉電情況下RTC繼續(xù)工作的應(yīng)用需求，需要VBAT引腳外接電池并使用LXTAL外部低頻晶振，這樣在VDD掉電的情況下，VBAT供電將會(huì)由VDD切換到VBAT，LXTAL和RTC均可正常工作，后續(xù)VDD上電后同步RTC寄存器即可獲取正確的RTC時(shí)間。

5.2.2 低功耗模式

GD32F4xx系列MCU具有三種低功耗模式，分別為睡眠模式、深度睡眠模式和待機(jī)模式。

睡眠模式與 Cortex?-M4 的 SLEEPING 模式相對(duì)應(yīng)。在睡眠模式下，僅關(guān)閉 Cortex?-M4的時(shí)鐘，如需進(jìn)入睡眠模式，只要清除 Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器中的 SLEEPDEEP 位，并執(zhí)行一條 WFI 或 WFE 指令即可。

深度睡眠模式與 Cortex?-M4 的 SLEEPDEEP 模式相對(duì)應(yīng)。在深度睡眠模式下， 1.2V 域中的所有時(shí)鐘全部關(guān)閉， IRC16M、 HXTAL 及 PLLs 也全部被禁用。 SRAM 和寄存器中的內(nèi)容被保留。根據(jù) PMU_CTL 寄存器的 LDOLP 位的配置，可控制 LDO 工作在正常模式或低功耗模式。進(jìn)入深度睡眠模式之前，先將 Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器的 SLEEPDEEP 位置 1，再清除PMU_CTL 寄存器的 STBMOD 位，然后執(zhí)行 WFI 或 WFE 指令即可進(jìn)入深度睡眠模式。如果睡眠模式是通過(guò)執(zhí)行 WFI 指令進(jìn)入的， 任何來(lái)自 EXTI 的中斷可以將系統(tǒng)從深度睡眠模式中喚醒。如果睡眠模式是通過(guò)執(zhí)行 WFE 指令進(jìn)入的， 任何來(lái)自 EXTI 的事件可以將系統(tǒng)從深度睡眠模式中喚醒（如果 SEVONPEND 為 1，任何來(lái)自 EXTI 的中斷都可以喚醒系統(tǒng)，請(qǐng)參考Cortex?-M4 技術(shù)手冊(cè)）。 剛退出深度睡眠模式時(shí)， IRC16M 被選中作為系統(tǒng)時(shí)鐘。請(qǐng)注意，如果 LDO 工作在低功耗模式，那么喚醒時(shí)需額外的延時(shí)時(shí)間。

待機(jī)模式是基于 Cortex?-M4 的 SLEEPDEEP 模式實(shí)現(xiàn)的。在待機(jī)模式下，整個(gè) 1.2V 域全部停止供電，同時(shí) LDO 和包括 IRC16M、 HXTAL 和 PLL 也會(huì)被關(guān)閉。進(jìn)入待機(jī)模式前，先將Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器的 SLEEPDEEP 位置 1，再將 PMU_CTL 寄存器的 STBMOD 位置 1，再清除 PMU_CS 寄存器的 WUF 位，然后執(zhí)行 WFI 或 WFE 指令，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，PMU_CS 寄存器的 STBF 位狀態(tài)表示 MCU 是否已進(jìn)入待機(jī)模式。待機(jī)模式有四個(gè)喚醒源，包括來(lái)自 NRST 引腳的外部復(fù)位， RTC 喚醒事件，包括 RTC 侵入事件、 RTC 鬧鐘事件、 RTC時(shí)間戳事件或 RTC 喚醒事件， FWDGT 復(fù)位， WKUP 引腳的上升沿。待機(jī)模式可以達(dá)到最低的功耗，但喚醒時(shí)間最長(zhǎng)。另外，一旦進(jìn)入待機(jī)模式， SRAM 和 1.2V 電源域寄存器（除了備份 SRAM，當(dāng) BLDOON 置位時(shí)）的內(nèi)容都會(huì)丟失。退出待機(jī)模式時(shí)，會(huì)發(fā)生上電復(fù)位，復(fù)位之后 Cortex?-M4 將從 0x00000000 地址開(kāi)始執(zhí)行指令代碼。

低功耗模式相關(guān)數(shù)據(jù)可參考下表，不同的低功耗模式是通過(guò)關(guān)閉不同時(shí)鐘以及電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，關(guān)閉的時(shí)鐘和電源越多，MCU所進(jìn)入的睡眠模式將會(huì)越深，功耗也會(huì)越低，帶來(lái)的喚醒時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)，其喚醒源也會(huì)越少。睡眠模式是最淺的低功耗模式，僅關(guān)閉了CPU，代碼不再運(yùn)行，所有的中斷或事件均可喚醒，喚醒時(shí)間也最快；深度睡眠模式時(shí)中間的低功耗模式，關(guān)閉了1.2V電源域時(shí)鐘以及IRC8M/HXTAL/PLL，僅可通過(guò)EXTI中斷或事件喚醒，喚醒后需要重新配置系統(tǒng)時(shí)鐘；待機(jī)模式是功耗最低的低功耗模式，關(guān)閉了1.2V電源域電源以及IRC8M/HXTAL/PLL，僅可通過(guò)NRST/看門(mén)狗/RTC鬧鐘/WKUP引腳喚醒，喚醒后MCU將會(huì)復(fù)位重啟。

各種睡眠模式下的功耗可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)描述，睡眠模式下相較于同主頻模式下的運(yùn)行模式功耗減少約50%，深度睡眠和待機(jī)模式功耗更低，如下表所示，深度睡眠模式下功耗常溫典型值為1.3ma，待機(jī)模式下功耗常溫典型值為9uA。

注意：由于深度睡眠模式具有較低的功耗，喚醒后繼續(xù)從斷點(diǎn)處執(zhí)行，因而具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，但需注意若需達(dá)到較一致的MCU深度睡眠功耗，需要將系統(tǒng)中未使用的MCU引腳均配置為模擬輸入狀態(tài)，包括芯片內(nèi)部未引出的pad。

Note:中間為典型數(shù)值，右側(cè)為常溫下的最大數(shù)值。

5.3 硬件設(shè)計(jì)

本例程stanby的喚醒使用到了PA0喚醒引腳，其電路如下所示。

5.4 代碼解析

本例程實(shí)現(xiàn)deepsleep以及standby的進(jìn)入以及喚醒測(cè)試，首先我們來(lái)看下主函數(shù)，如下所示。該主函數(shù)首先配置了系統(tǒng)主時(shí)鐘、延遲、打印和LED函數(shù)，并打印Example of Low Power Test Demo。之后查詢(xún)是否進(jìn)入過(guò)Standby模式，如果進(jìn)入過(guò)Standby模式，表示當(dāng)前狀態(tài)為standby喚醒后的復(fù)位，則打印A reset event from Standby mode has occurred，并翻轉(zhuǎn)LED2，因而驗(yàn)證standby喚醒的時(shí)候，其現(xiàn)象可觀(guān)察到LED2的翻轉(zhuǎn)。之后使能wakeup引腳的喚醒以及USER按鍵的初始化，此時(shí)將wakeup KEY配置為中斷模式。在while（1）中，查詢(xún)USER KEY按下的時(shí)間，如果按下超過(guò)3S，則打印Entering Standby Mode.并進(jìn)入standby模式，如果USER KEY按下不超過(guò)3S，則打印Enter Deepsleep mode.并進(jìn)入Deepsleep模式，從deepsleep模式喚醒后需要重新配置時(shí)鐘，打印Exit Deepsleep mode.并翻轉(zhuǎn)LED1。Standby的喚醒使用PA0 wakeup引腳，deepsleep的喚醒可使用任何EXTI中斷，本實(shí)例中使用wakeup按鍵中斷喚醒。

C
int main(void)
{
rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);
driver_init();
//注冊(cè)按鍵掃描
driver_tick_handle[0].tick_value=10;
driver_tick_handle[0].tick_task_callback=key_scan_10ms_callhandle;

bsp_uart_init(&BOARD_UART);

/* 板載UART初始化 */
printf_log("Example of Low Power Test Demo.\r\n");

delay_ms(2000);
bsp_led_group_init();

/* 判斷是否進(jìn)入過(guò)Stanby模式 */
if(pmu_flag_get(PMU_FLAG_RESET_STANDBY)==SET)
{
printf_log("A reset event from Standby mode has occurred.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED2);
pmu_flag_clear(PMU_FLAG_RESET_STANDBY);
}

/* 配置PA0 Wakeup喚醒功能 */
pmu_wakeup_pin_enable();
WKUP_KEY.key_gpio->gpio_mode = INT_HIGH;
WKUP_KEY.key_gpio->int_callback = WKUP_KEY_IRQ_callback;
bsp_key_group_init();
nvic_irq_enable(EXTI0_IRQn,0,0);

while (1)
{
/* 檢測(cè)KEY1按鍵是否被按下，如果按下，進(jìn)入standby模式 */
if(USER_KEY.press_timerms >= PRESS_3000MS)
{
USER_KEY.press_timerms=PRESS_NONE;
printf_log("Entering Standby Mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED2);
pmu_to_standbymode(WFI_CMD);
}
/* 檢測(cè)KEY2按鍵是否被按下，如果按下，進(jìn)入Deepsleep模式 */
if(USER_KEY.press_timerms >= PRESS_50MS)
{
USER_KEY.press_timerms=PRESS_NONE;
printf_log("Enter Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);

bsp_lcd_backlight_off();
pmu_to_deepsleepmode(PMU_LDO_NORMAL, PMU_LOWDRIVER_DISABLE, WFI_CMD);

bsp_lcd_backlight_on();
printf_log("Exit Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);
}
}
}

5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本實(shí)驗(yàn)歷程燒錄到紫藤派開(kāi)發(fā)板中，按下user key按鍵超過(guò)3S，松開(kāi)后MCU將進(jìn)入standby模式，并打印Entering Standby Mode.，然后按下wakeup按鍵，將從stanby模式喚醒，打印A reset event from Standby mode has occurred.并翻轉(zhuǎn)LED2，之后短按USER KEY，將打印Enter Deepsleep mode.進(jìn)入deepsleep模式，然后按下wakeup按鍵將從deepsleep模式下喚醒，喚醒后重新配置時(shí)鐘，打印Exit Deepsleep mode.并將LED1翻轉(zhuǎn)。

具體現(xiàn)象如下所示。

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