5.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過本實(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

5.2.1PMU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)?a href="http://hljzzgx.com/tags/數(shù)字電源/" target="_blank">數(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)?a href="http://hljzzgx.com/analog/" target="_blank">模擬電源域包括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（低電壓檢測器）等等。

POR / PDR（上電/掉電復(fù)位） 電路檢測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低電壓檢測功能，如下圖所示，LVD的功能是檢測VDD / VDDA供電電壓是否低于低電壓檢測閾值，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，用戶可以通過配置EXTI的第16線產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。LVD中斷信號(hào)依賴于EXTI第16線的上升或下降沿配置。遲滯電壓Vhyst值為100mV。

1. 1.2V電源域

1.2V 電源域?yàn)镃ortex?-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)于沒有外部電池的應(yīng)用，建議將VBAT引腳通過100nF的外部陶瓷去耦電容連接到VDD引腳上。

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執(zhí)行WFI指令進(jìn)入的， 任何來自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執(zhí)行WFE指令進(jìn)入的， 任何來自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，F(xiàn)WDGT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。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關(guān)閉不同時(shí)鐘以及電源來實(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，帶來的喚醒時(shí)間也會(huì)越長，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NRST/看門狗/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。

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)入以及喚醒測試，首先我們來看下主函數(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。之后查詢是否進(jìn)入過Standby模式，如果進(jìn)入過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USER KEY按下的時(shí)間，如果按下超過3S，則打印Entering Standby Mode.并進(jìn)入standby模式，如果USER KEY按下不超過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。

5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本實(shí)驗(yàn)歷程燒錄到紫藤派開發(fā)板中，按下user key按鍵超過3S，松開后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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