参考资料

1. Using STM32F4 MCU power modes with best dynamic efficiency（官方文档）

2. Reference Manuals RM0090 and RM0368（直接网络搜索）

3. How to optimize power consumption on STM32 MCUs - Application note

4. Application Note “How to achieve the lowest current consumption with STM32F2xx” (AN3430)

The majority of these features are common in all STM32F2 and STM32F4 MCUs, so the user can get more details by referring to application note “How to achieve the lowest current consumption with STM32F2xx” (AN3430) and to reference manuals RM0090 and RM0344.

5. st.com/resource/en/user_manual/um1725-description-of-stm32f4-hal-and-lowlayer-drivers-stmicroelectronics.pdf（HAL PWR 使用手册）

6. How to optimize power consumption on STM32 MCUs - Application note（STM32L系列参考这个）

7. STM32L4 and STM32L4+ ultra-low-power features overview

8. Migrating from STM32F1 Series to STM32L4 Series / STM32L4+ Series microntrollers - Application note

1.1 STM32F4 系列

• 睡眠模式（Cortex™-M4F 内核停止，外设保持运行）

• 停止模式（所有时钟都停止）

• 待机模式（1.2 V 域断电）

• 降低系统时钟速度

• 不使用 APBx 和 AHBx 外设时，将对应的外设时钟关闭

1.1.1 电源说明

1. 写保护后需解锁：设备复位后，备份域的RTC寄存器、RTC备份寄存器和备份SRAM将受到保护，以防止意外写访问，继续操作需要使能备份域访问。

2. RTC和RTC备份寄存器：实时时钟 (RTC) 是一个独立的 BCD 定时器/计数器。RTC 提供一个日历时钟、两个可编程闹钟中断，以及一个具有中断功能的可编程的周期唤醒标志。RTC 包含 20 个备份数据寄存器（80 字节），在检测到入侵事件时将复位。

3. 备份SRAM： 4 KB ，可被 32 位、16 位、8 位访问。使能低功耗备份调压器（LP调压器）时，即使处于待机或 模式（此时备份调压器打开），备份 SRAM 的内容也能保留。一直存在VBAT 时，可以将此备份 SRAM 视为内部 EEPROM。

1. 线性调压器为除了备份域和待机电路以外的1.2V数字电路供电

2. 调压器复位后处于使能状态，有三种工作模式
1. 运行模式：1.2V 域（内核、存储器和数字外设）全功率，可通过软件调整为不同的电压值。
2. 停止模式：调压器为 1.2 V 域提供低功率，保留寄存器和内部 SRAM 中的内容。
3. 待机模式：调压器掉电。除待机电路和备份域外，寄存器和 SRAM 的内容都将丢失。

1.1.2 睡眠模式

• 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。该模式下功耗和系统时钟以及调压器范围有关。

• 如果使用 WFI 进入：中断向量表中所有中断可以唤醒

• 如果使用 WFE 进入：唤醒事件，注意唤醒后是否需要清除挂起的标志位

1.1.3 停止模式

• 保持寄存器和SRAM数据下，功耗最低模式。进入停止模式主要有如下特点
• 1.2V域中时钟全部关闭（ PLL, HSI, HSE）
• 线性调压器工作在常规（Normal）或低功耗（Low Power）模式
• 所有I/O口状态和运行状态保持一致
• Flash 内存可配置为停止模式和深度掉电模式（比停止模式功耗低，恢复操作速度慢）
• SRAM 和 寄存器数据保留

• 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。通过如下函数可以配置唤醒后时钟源。

• 在停止模式下，ADC 或 DAC 也会产生功耗，除非在进入停止模式前将其禁止。要禁止这些 转换器，必须将 ADC_CR2 寄存器中的 ADON 位和 DAC_CR 寄存器中的 ENx 位都清零。

Any EXTI Line (Internal or External) configured in Interrupt/Event mode.

• 如果使用 WFI 进入：所有配置为中断模式的线。（必须在 EXTI 中使能对应的 NVIC 中断向量）。

• 如果使用 WFE 进入：所有配置为事件模式的线。

1.1.4 待机模式

• 待机时： 调压器断电，内核停止，片上外设也停止；内核寄存器、内存的数据会丢失（备份域保存）；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。

• 唤醒后： 相当于芯片复位，在程序表现为从头开始执行代码。

1.1.5 功耗对比

1.1.6 其他方法

降低系统时钟速度

• STM32F4提供不同的时钟源 (external crystal HSE, internal oscillator HSI, phase-locked loop PLL, internal oscillator LSI, external oscillator LSE)配置，可根据需要选择。

• 运行模式下，可通过对预分频寄存器编程来降低系统时钟（SYSCLK、HCLK、PCLK1 和 PCLK2）速度。

• 进入睡眠模式之前，也可以使用这些预分频器降低外设速度。

外设时钟门控

• 在运行模式下，可随时停止各外设和存储器的 HCLKx 和 PCLKx 以降低功耗。

• 要进一步降低睡眠模式的功耗，可在执行 WFI 或 WFE 指令之前禁止外设时钟。

动态电压调整

• STM32F427x/437x/429x/439x: three voltage scales – scale3 (up to 120 MHz) – scale2 (from 120 to 144 MHz) – scale1 (up to 180 MHz) • STM32F405x/415x/407x/417x: two voltage scales – scale2 (up to 144 MHz) – scale1 (up to 168 MHz) • STM32F401x: two voltage scales – scale3 (up to 60 MHz) – scale2 (up to 84 MHZ)S

调压器供电技巧

• 超驱动模式（Over-drive mode）下，微控制器可以在更高的频率下运行，从而提高性能。（该模式只适用 STM32F429x/439x 设备）

• 低电压模式，降低低功耗调压器输出电压，该模式只能在 STM32F429x/439x 和 STM32F401x设备停止模式使用

• 欠驱动模式（Under-drive mode）下，1.2 V 域在降低泄漏模式中得到保留。在主调压器或者低功耗调压器停止模式下可用。

ART 配置

1. 指令预取：
• ART Accelerator 能够预取指令，减少等待时间，提高执行效率。

2. 零等待状态：
• 当系统频率在一定范围内时，ART 可以实现零等待状态，从而提高程序执行速度。

3. 闪存加速：
• 通过优化从闪存读取的过程，ART Accelerator 可以显著提升闪存访问速度，尤其是在高频率运行时。

4. 动态调整：
• 根据执行的指令和数据访问模式，ART Accelerator 可以动态调整其操作，以提供最佳性能。

I/O 配置

使用DMA

代码优化

• 使用编译器优化选项（如 -O2 或 -O3）来优化代码执行效率。

• 尽量减少循环和函数调用的开销，使用内联函数和循环展开（loop unrolling）技术

• 直接使用寄存器读写操作

1. 简化程序流程：
• 针对常见情况进行优化，减少条件判断和分支。
• 实现早期退出（early exit）策略，避免不必要的计算。

2. 内存管理：
• 减少内存分配和释放频率，使用静态内存分配。
• 优化数据结构以减少内存占用。

3. 任务调度：
• 优化任务调度，确保 CPU 在空闲时尽快进入低功耗模式。
• 合并任务，减少上下文切换的开销。

4. 减少中断：
• 合并中断处理程序，减少中断频率。
• 使用标志位或缓冲区减少中断服务程序中的处理时间。

5. 数据处理：
• 使用定点运算代替浮点运算，以减少计算复杂度。
• 在可能的情况下，使用增量更新而不是完全重计算。

6. 代码精简：
• 移除冗余代码和不必要的功能。
• 合并相似的代码片段，减少代码重复。

2.1 STM32L4系列

2.2.1 运行模式

1. 范围1增益：系统频率可达120 MHz（仅适用于STM32L4+系列）

2. 范围1：系统频率可达80 MHz

3. 范围2：系统频率可达26 MHz，具备更高效能（比范围1高达15%）。

4. 低功耗运行：系统频率2MHz，效能比范围2提高20%。

2.2.2 代码执行（FLASH SRAM1 SRAM2）

2.2.3 低功耗模式

1. 支持7种低功耗低功耗模式，并且每种模式下，还可以通过调整时钟源和频率，关闭外设时钟进行微调。并且除了Shutdown模式模式有掉电复位（BOR）和IWDG保证系统安全运行。

2. 支持低功耗运行/休眠模式，该模式下电流消耗低，但可以保证外设不关闭，CPU连续处理。还可以通过打开低功耗调压器，关闭Flash内存（掉电模式），系统时钟限制在2MHz。

3. 支持三种停止模式，该模式下，高速晶振关闭，之后又LSI和LSE打开。
1. stop 0 mode：主调压器和低功耗调压器打开
2. stop 1 mode：主调压器关闭，低功耗调压器打开
3. stop 2 mode：主调压器关闭，低功耗调压器打开，唤醒外设减少
停止模式如下特点
• 所有I/O口状态和运行状态保持一致
• PLL、HSI、HSE、MSI 时钟全部关闭
• 线性调压器工作在常规（Normal）或低功耗（Low Power）模式
• SRAM1、SRAM2 和 寄存器数据保留
• I2Cx,、USARTx、LPUART和USB等外设可以唤醒停止模式

4. 支持待机模式
1. PLL、HSI,、MSI 和HSE 晶振关闭，调压器关闭
2. SRAM1、寄存器内容丢失，SRAM2可以保存（低功耗调压器打开）
3. I/O 可配置为上下拉，外设配置保存
4. 可通过五个唤醒引脚，复位引脚、独立看门狗服务和RTC唤醒

5. 支持关机模式
1. 功耗最低，关闭内部调压器和电压监测功能
2. 可通过五个唤醒引脚，复位引脚、RTC唤醒

2.2.4 低功耗定制外设

1. STM32L4xx 系列MCU有多个 12-bit / 5 Msps ADCs，假如持续供电，ADC的功耗大体可按200 µA / Msps 估算，5 Msps采样率下大概消耗 1mA。可采取两种方法以降低功耗，第一种限制采样率（可降低到几百µA，但运行时间延长），第二种是保持最高采样率，快速切换超低功耗模式 (Stop or Standby mode)。

2. STM32L4xx 系列MCU有多个DACs，DAC具有采样保持功能，即在采样时将电压值保持在一个电容上。当不进行转换时，DAC核心和缓冲器完全关闭，DAC输出处于高阻态，有利于降低功耗。

3. STM32L4xx 系列MCU有一个RTC，RTC 提供一个日历时钟、两个可编程闹钟中断，以及一个具有中断功能的可编程的周期唤醒标志。还提供时间戳，侵入监测等特别功能。
1. RTC在Shutdown 模式下仍保持打开，将MCU从低功耗中唤醒。
2. RTC有128字节备份寄存器存储上下文信息（standby可用到，因为SRAM和寄存器清除）或者在侵入检测时保护设备敏感信息。
3. RTC支持LSE和LSI两个低功耗低速时钟。

4. STM32L4xx 系列MCU具备LCD控制器，适用低功耗的液晶显示器。控制器可以选择性地使用内部升压转换器，以在不同的VDD（电源电压）范围内保持LCD的对比度。使包含升压转换器，控制器的功耗也低至5微安（不包括LCD的消耗）。

5. STM32L4xx 系列MCU有一个16bit低功耗定时器（LPTIM），LPTIM可以从多种时钟源获取时钟（LSI、LSE和HCLK），在深度睡眠模式（如Stop或Standby模式）下，LPTIM仍然可以继续运行。可以用作“脉冲计数器”，由于其低功耗，特别适合用作“Time-out Function”。

6. STM32L4xx 系列MCU支持低功耗通用异步接收器/发送器（LPUART）。
1. 只需使用32.768 kHz的LSE（低速外部）时钟即可支持高达9600波特率的通信。更高速率可以更换时钟源。
2. 处于Stop模式时，LPUART仍可以保持待机状态，等待接收UART帧，同时保持极低的能耗。
3. LPUART支持多种唤醒方式，以便从Stop模式中唤醒MCU：
• 地址匹配唤醒：当接收到匹配的地址时唤醒。
• 起始位检测唤醒：当检测到起始位时唤醒。
• 接收到字节时唤醒：当接收到完整的字节时唤醒。

7. STM32L4xx 系列MCU可以通过I2C接口唤醒MCU
1. 所有的I2C寻址模式都被支持
2. 为了在Stop模式下实现唤醒，必须选择HSI（高速内部振荡器）作为I2C时钟源（I2CCLK），在Stop模式中，HSI是关闭的。
3. 当检测到I2C START信号时，I2C接口会开启HSI，并将SCL线拉低，直到HSI完全启动。HSI启动后，用于接收地址。
4. 如果地址匹配，I2C会在MCU唤醒期间继续将SCL保持在低电平。一旦软件清除ADDR标志，SCL线恢复正常，数据传输继续。
5. 如果地址不匹配，HSI会关闭，MCU不会被唤醒。

8. STM32L4xx 系列MCU的USART可以在MCU处于Stop0或Stop1模式时唤醒MCU。USART的时钟源必须是HSI（高速内部振荡器）或LSE（低速外部振荡器）。USART支持多种唤醒方式如下：
• 地址匹配唤醒：当接收到匹配的地址时唤醒。
• 起始位检测唤醒：当检测到起始位时唤醒。
• 接收到字节时唤醒：当接收到完整的字节时唤醒。

9. STM32L4xx 系列MCU的USB接口可以在MCU处于Stop0或Stop1模式时唤醒MCU。支持多种唤醒方式唤醒事件：
• 从挂起恢复：当USB设备从挂起状态恢复时，可以唤醒MCU。这通常发生在主机重新与设备进行通信时。
• 连接检测协议事件：当检测到USB设备连接到主机时，MCU可以被唤醒。这涉及到USB设备的物理连接检测。