引言

STM32U575/585 微控制器（MCU）基于具有 Arm TrustZone和 FPU 的高性能 Arm 32 位 Cortex?M33CPU。這些 MCU 采用新型結(jié)構(gòu)制造，得益于其高度靈活性和高級外設(shè)集，實(shí)現(xiàn)了一流的超低功耗性能STM32U575/585 器件可為應(yīng)用實(shí)現(xiàn)極高的能效。

帶有“Q”后綴的 STM32U575/585 器件（例如 STM32U5xxxxQ）支持在運(yùn)行和低功耗模式下使用內(nèi)部 SMPS，從而能夠設(shè)計(jì)出非常高效的低功耗應(yīng)用

通過集成 ART 加速器 8 KB 指令緩存，STM32U575/585 MCU 可在高達(dá) 160MHz 的頻率下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn) 240 DMIPS 性能，同時(shí)保持極低的動態(tài)功耗。

STM32U575/585 器件嵌入了大量智能高性能外設(shè)，具有多種先進(jìn)的超低功耗模擬功能。借助于 LPBAM（低功耗后臺自主模式），許多外設(shè)（包括通信、模擬、定時(shí)器和音頻）均可正常工作并自主進(jìn)入停機(jī)模式，并直接訪問內(nèi)存。超低功耗設(shè)計(jì)和處理性能的組合使這些器件能夠達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先的 EEMBC ULPBench得分，最高達(dá)到 535 ULPMark。

STM32U575/585 MCU 集合了多種創(chuàng)新，能夠使不同模式下的功耗減到最小，同時(shí)保留大部分現(xiàn)有外設(shè)并很好地實(shí)現(xiàn)了引腳兼容，能夠很容易地從現(xiàn)有產(chǎn)品上進(jìn)行移植。

得益于其內(nèi)置內(nèi)部穩(wěn)壓器和電壓調(diào)節(jié)，無論外部供電電壓是多少，在活動模式下都能保持盡可能小的消耗。這使得這些器件非常適合電池供電的產(chǎn)品，所需供電電壓可低 至 1.71 V。

此外，它們具有多電壓域，允許產(chǎn)品以低壓供電，同時(shí)模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器可在高達(dá) 3.6V 的高電源電壓和參考電壓下工作。

STM32U575/585 器件可支持電池備份域以保持 RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）運(yùn)行，并能支持 32 個(gè)寄存器（每個(gè)寄存器為 32 位寬）的組，該寄存器組在失去電源時(shí)能夠保持內(nèi)容。該可選備份電池可在有主電源時(shí)充電。

這些器件支持多種主要的低功耗模式，其中每種都有多個(gè)子模式選項(xiàng)。這使得設(shè)計(jì)人員可以在低功耗性能、短啟動時(shí)間、可用外設(shè)集與喚醒源最大數(shù)量之間實(shí)現(xiàn)最佳折中。

1、概述

本應(yīng)用說明適用于基于 Arm Cortex內(nèi)核的 STM32U575/585 微控制器。

參考文檔

［1］ 參考手冊：基于 Arm的 STM32U575xx 和 STM32U585xx 高級 32 位 MCU（RM0456）

［2］ STM32U575xx（DS13737）和 STM32U585xx（DS13086）的數(shù)據(jù)表

［3］ 應(yīng)用筆記用于硬件設(shè)置和低功耗的 STM32 微控制器 GPIO 配置（AN4899）

［4］ 應(yīng)用筆記使用 LPBAM 進(jìn)行的 STM32U575/585 功耗優(yōu)化（AN5645）

［5］ EEMBC 組織網(wǎng)址 http://www.eembc.org

2、高效能處理

由于使用了關(guān)聯(lián)到其存儲器接口的 Cortex?M33 核，因而在運(yùn)行模式下獲得了很高的處理性能（以 DMIPS/MHz 表示）。為確保實(shí)現(xiàn)最大工作頻率下的高性能工作，STM32U575/585 器件嵌入了 ART 加速器指令緩存（ICACHE），通過其屏蔽 Flash 訪問等待狀態(tài)。無論系統(tǒng)時(shí)鐘頻率是多少，都可達(dá)到 1.5 DMIPS/MHz 的處理性能。

STM32U575/585 器件支持動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，以便優(yōu)化其在運(yùn)行模式下的功耗。可根據(jù)系統(tǒng)的最高操作頻率，調(diào)節(jié)為邏輯（VCORE）供電的主穩(wěn)壓器提供的電壓。更多詳細(xì)信息，請參見參考文檔［1］。

主調(diào)壓器在以下范圍內(nèi)運(yùn)行：

? Range 1（V 內(nèi)核 = 1.2 V），其中 CPU 和外設(shè)運(yùn)行頻率高達(dá) 160 MHz

? Range 2（V 內(nèi)核 = 1.1 V），其中 CPU 和外設(shè)運(yùn)行頻率高達(dá) 110 MHz

? Range 3（V 內(nèi)核 = 1.0 V），其中 CPU 和外設(shè)運(yùn)行頻率高達(dá) 55 MHz

? Range 4（V 內(nèi)核 = 0.9 V），其中 CPU 和外設(shè)運(yùn)行頻率高達(dá) 25 MHz

除非另有說明，否則本應(yīng)用筆記中使用的所有功耗數(shù)據(jù)均基于從參考文檔［2］中提取的 TA = 25 ° C 且 VDD = 3.0 V

時(shí)的典型規(guī)格。

提示

使用低功耗調(diào)壓器時(shí)，根據(jù)軟件配置，系統(tǒng)時(shí)鐘可以是頻率高達(dá) 24MHz（默認(rèn)為 4MHz）的 MSIS，也可以是HSI16。

2.1 內(nèi)部調(diào)壓器效率

STM32U575/585 器件嵌入了兩個(gè)內(nèi)部調(diào)壓器，可在應(yīng)用運(yùn)行時(shí)根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行選擇：

? SMPS 降壓轉(zhuǎn)換器

? 線性調(diào)壓器（LDO）

LDO 和 SMPS 穩(wěn)壓器有兩種模式：

? 主調(diào)壓器（需要性能時(shí)使用）

? 低功耗調(diào)壓器

兩個(gè)調(diào)壓器都可以提供四個(gè)不同電壓（電壓調(diào)節(jié)），同時(shí)還能在停機(jī)模式下工作。

下圖顯示了 STM32U575/585 微控制器在運(yùn)行模式下用于 SMPS 和 LDO 配置的典型電流消耗（作為系統(tǒng)頻率的函數(shù)）。

下圖顯示了該曲線在 CPU 頻率下轉(zhuǎn)化為功率效率（將其除以電流消耗、乘以電源電壓得到功率圖）。

2.2 ICACHE效率

指令緩存（ICACHE）旨在緩存來自處理器的指令提取或指令存儲器負(fù)載。ICACHE 只管理讀事務(wù)，不管理寫事務(wù)。在大部分時(shí)間，ICACHE 通過從內(nèi)部 ICACHE 提取指令來降低功耗，而不是從更大且功耗更大的主存儲器中獲取指令。

ICACHE 的默認(rèn)配置（復(fù)位時(shí)）是雙路組相聯(lián)緩存。對于需要極低功耗配置文件的應(yīng)用，ICACHE 可以配置為單路，即直接映射緩存。

下圖顯示了 STM32U575/585 微控制器在運(yùn)行模式下在不同 ICACHE 配置的斐波那契基準(zhǔn)中的功率效率（作為系統(tǒng)頻率的函數(shù)），其中采用 SMPS 且 VDD = 1.8 V。

2.3 Flash效率

下圖顯示了 Flash 延遲（要被編程到 Flash 訪問控制寄存器中的等待狀態(tài)數(shù)值），具體取決于 STM32U575/585 穩(wěn)壓器電壓調(diào)節(jié)范圍和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

本應(yīng)用說明適用于基于 Arm Cortex內(nèi)核的 STM32U575/585 微控制器。

3、STM32U575/585 超低功耗特點(diǎn)

3.1 低功耗模式

STM32U575/585 微控制器實(shí)現(xiàn)了多種不同的功耗模式。默認(rèn)情況下，系統(tǒng)復(fù)位或上電復(fù)位后，MCU 進(jìn)入運(yùn)行模式。系統(tǒng)提供了多個(gè)低功耗模式，可在 CPU 不需要運(yùn)行時(shí)（例如等待外部事件時(shí)）節(jié)省功耗。由用戶選擇具體的模式，以在低功耗、短啟動時(shí)間和可用喚醒源之間尋求最佳平衡。如需更詳細(xì)信息，請參考［1］。

3.1.1 睡眠模式

CPU 時(shí)鐘關(guān)閉，包括 Cortex-M33 內(nèi)核（例如 NVIC、SysTick 等）在內(nèi)的所有外設(shè)都可以運(yùn)行，并在發(fā)生中斷或事件時(shí)喚醒 CPU。

3.1.2 停機(jī)模式

停機(jī)模式基于 Cortex-M33 深度睡眠模式與外設(shè)時(shí)鐘門控的組合。核心域中的所有時(shí)鐘均停止。禁用 PLL、MSIS、MSIK、HSI16 和 HSE 振蕩器，如果外設(shè)請求，則可以在停機(jī) 0、停機(jī) 1、或停機(jī) 2 模式下啟用 MSIS、MSIK、HSI16。

停機(jī) 0 和停機(jī) 1 提供最大數(shù)量的活動外設(shè)和喚醒源，相比停機(jī) 2，其喚醒時(shí)間更短，但功耗較高。在停機(jī) 2 和停機(jī)3 模式下，核心域的大部分處于低漏電模式。

在從停機(jī)模式退出時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘可以是 MSIS（最高 24 MHz）或 HSI16，具體取決于軟件配置。

低功耗后臺自主模式（LPBAM）

一些外設(shè)是自主的，可以在需要時(shí)通過請求其內(nèi)核時(shí)鐘（最高 24MHz 的 MSIK，或 HSI16）及其總線（APB 或AHB）而在停機(jī) 0、停機(jī) 1、或停機(jī) 2 模式下運(yùn)行，以便與 DMA（GPDMA1 或 LPDMA1，取決于外設(shè)和功耗模式）傳輸數(shù)據(jù)。

3.1.3 待機(jī)模式

待機(jī)模式實(shí)現(xiàn)在保留欠壓復(fù)位功能時(shí)的最低功耗：關(guān)閉內(nèi)部調(diào)壓器，從而關(guān)閉核心域。PLL、MSI（MSIS 和MSIK）RC、HSI16 RC 和 HSE 晶振也會關(guān)閉。RTC 可保持激活狀態(tài)。可選擇保留 8、56 或 64 KB 的 SRAM2。可以施加內(nèi)部上拉或下拉來保持 I/O 電平。喚醒后的系統(tǒng)時(shí)鐘為 MSIS，最高 4MHz。

3.1.4 關(guān)斷模式

關(guān)斷模式下功耗達(dá)到最低。該模式基于深度睡眠模式，其中調(diào)壓器被禁用。因此核心域斷電。通過關(guān)閉內(nèi)部穩(wěn)壓器，以及禁用耗電監(jiān)控，該模式可實(shí)現(xiàn)最低電流消耗。借助某一個(gè)（共五個(gè)）喚醒引腳或復(fù)位引腳，能夠從該模式喚醒。由低速外部振蕩器（LSE）定時(shí)的 RTC 在此模式下也是起作用的，具有喚醒功能。

文檔［1］的“功耗模式”部分中的“低功耗模式總結(jié)”表總結(jié)了每種模式的可用特性，并提供了電流消耗的指示。

3.2 功耗優(yōu)化

3.2.1 ICACHE 處于運(yùn)行模式

ICACHE 通過從內(nèi)部 ICACHE 獲取指令來降低功耗。在大多數(shù)情況下，采用較低性能配置文件和嚴(yán)格的低功耗限制的應(yīng)用程序可能會從配置為直接映射（ICACHE_1-way）的 ICACHE 的較低功耗而受益。

這種單路高速緩存配置是通過在 ICACHE_CR 中編程 WAYSEL=0 實(shí)現(xiàn)的。

3.2.2運(yùn)行和睡眠模式下的 Flash

STM32U575/585 Flash 包括主存儲器塊，該主存儲器塊由兩個(gè) 1 MB 的存儲區(qū)（bank）組成，每個(gè) bank 包含 128個(gè) 8 KB 的頁面。當(dāng) MCU 處于運(yùn)行和睡眠模式時(shí)，這一結(jié)構(gòu)在專用模式下的功耗方面得到了優(yōu)化。為了降低運(yùn)行和睡眠模式下的功耗，可以根據(jù)所使用的存儲區(qū)，通過設(shè)置 FLASH_ACR 中的 PDREQ1 或 PDREQ2獨(dú)立地將每個(gè)存儲區(qū)置于掉電模式。

Flash 支持低功耗讀取模式，通過在 FLASH_ACR 中編程 LPM=1 來降低功耗。

預(yù)取往往會以額外的 Flash 存取為代價(jià)提升代碼執(zhí)行性能。然而，對于大多數(shù)應(yīng)用程序，預(yù)取開啟時(shí)的電源效率會更好。

3.2.3 電源控制優(yōu)化

在待機(jī)模式下，可以將 BOR 配置為不連續(xù)模式（超低功耗模式），通過將 PWR_CR 中的 ULPMEN 位設(shè)置為 1 來進(jìn)一步降低電流消耗。

為降低運(yùn)行、睡眠或任何低功耗模式下的功耗，建議從 LDO 切換到 SMPS。

? SMPS 電源引腳僅在具有 SMPS 降壓轉(zhuǎn)換器選項(xiàng)的特定封裝上可用。

? 可以動態(tài)完成 SMPS 到 LDO 和 LDO 到 SMPS 的切換。

3.2.4 低功耗模式下的 RCC

為了維持輸出時(shí)鐘精度，MSI 偏置默認(rèn)為連續(xù)模式。當(dāng)調(diào)壓器處于 Range 4 中并且設(shè)備處于停機(jī) 1 或停機(jī) 2 模式時(shí)，在進(jìn)入低功耗模式之前在 RCC_ICSCR1 中設(shè)置 MSIBIAS 可降低 MSI 功耗。

在進(jìn)入低功耗模式之前，建議選擇 HSI16 或 MSIS（16 或 24MHz）作為喚醒源，以縮短喚醒時(shí)間，并減少喚醒期間損失的能量。若使用 24 MHz，則須為 SRAM 讀訪問配置一個(gè)等待 狀態(tài)延遲，這會影響代碼執(zhí)行性能。然后須在1 個(gè) SRAM 等待狀態(tài)下使用 24 MHz 和使用 16 MHz 作為系統(tǒng)時(shí)鐘之間對該性能進(jìn)行評估。

停機(jī)模式期間或從停機(jī)模式喚醒時(shí)的 MSIS 頻率與進(jìn)入停機(jī)模式之前頻率相同。如果使用 MSIS 在運(yùn)行模式下饋送 PLL，則由于 PLL 輸入時(shí)鐘頻率限制使 MSIS 在 4MHz 到 16 MHz 之間。此時(shí)建議關(guān)閉 PLL 并在進(jìn)入停機(jī)模式之前將 MSIS 配置為高頻（如果使用 MSIS 作為喚醒時(shí)鐘）。

必須通過清零外設(shè)自身的使能位來禁用無法在停機(jī) 2 模式下使能的所有外設(shè)，或者通過配置 RCC 寄存器 使其處于復(fù)位狀態(tài)。

對于每個(gè)時(shí)鐘源來說，在未使用時(shí)都可單獨(dú)開啟或者關(guān)閉，以降低功耗。

3.2.5 低功耗模式下的 I/O 狀態(tài)

如需更詳細(xì)信息，請參考［3］。

配置未使用的 GPIO

GPIO 始終有一個(gè)輸入通道，可以是數(shù)字或模擬通道。如果不需要讀取 GPIO 數(shù)據(jù)，則優(yōu)先配置為模擬輸入。這節(jié)省了輸入施密特觸發(fā)器的消耗。

禁用 GPIO 寄存器時(shí)鐘

如果某個(gè) GPIO 組長時(shí)間不需要使用，請使用 HAL_RCC_GPIOx_CLK_DISABLE（）函數(shù)禁用其時(shí)鐘。

進(jìn)入低功耗模式時(shí)配置 GPIO

在睡眠、停機(jī) 0、停機(jī) 1 或停機(jī) 2 模式下，所有 I/O 引腳保持與運(yùn)行模式中相同的狀態(tài)。對于輸出，根據(jù)外部組件所需的電平驅(qū)動合適的電平。

在停機(jī) 3、待機(jī)或關(guān)斷模式下，I/O 默認(rèn)處于浮動狀態(tài)。根據(jù)外部組件所需的電平施加上拉或下拉。應(yīng)認(rèn)識到，在退出關(guān)斷模式時(shí)不會施加該上拉/下拉，直到固件配置 GPIO 為止。

在一些應(yīng)用中，為了進(jìn)一步降低停機(jī)模式下的功耗，并為了獲得更高的電阻值精度，建議使用外部上拉而不是內(nèi)部上拉。

3.2.6 內(nèi)部 SRAM

STM32U575/585 器件嵌入了五個(gè) SRAM，每個(gè)都具有特定的功能：SRAM1、SRAM2、SRAM3 為主 SRAM。SRAM4 在 SRAM 中用于停機(jī) 2 模式下的外設(shè)低功耗后臺自主模式（LPBAM）。

保留所有 SRAM 和寄存器內(nèi)容，但 SRAM 可全部或部分關(guān)閉，以便進(jìn)一步降低功耗。這些 SRAM 由多個(gè)可以關(guān)閉的塊組成：

? 運(yùn)行模式

要降低運(yùn)行模式下的功耗，應(yīng)通過在 PWR_CR1 中編程 SRAMxPD 來關(guān)閉所有 SRAM。

? 停機(jī)模式

該模式可實(shí)現(xiàn)最低功耗，同時(shí)保持低功耗調(diào)壓器供電的 SRAM 和寄存器的內(nèi)容。停機(jī) 3 是具有完全保留的最低功耗模式。為了進(jìn)一步優(yōu)化功耗，建議如下：

– 通過在 PWR_CR2 中編程 SRAMxPDSy = 1 來關(guān)閉未使用的 SRAM：

? SRAM1， SRAM3， SRAM4

? DCACHE1、DMA2D、FDCAN、FMAC、PKA（如可用）和 USB 的 SRAM

– 根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)大小，通過清除 PWR_CR2 中的 SRAMPDS1 和/或 SRAMPDS2 位來保留 SRAM2 第 1頁和/或第 2 頁。

? 待機(jī)模式

進(jìn)入待機(jī)模式后，除備份域和待機(jī)電路中的寄存器和備份 SRAM（2 KB）外，其余 SRAM 和寄存器的內(nèi)容都將丟失。通過在 PWR_CR1 中設(shè)置由低功耗調(diào)壓器供電的 RRSB1 和/或 RRSB2，SRAM2 第 1 頁（8 KB）或第 2 頁（56 KB）或兩頁都可以在待機(jī)模式保持（在 RAM2 保持模式下待機(jī)）。

3.2.7 運(yùn)行和停機(jī)模式下的外設(shè)時(shí)鐘門控

STM32U575/585 器件支持關(guān)閉 AHB/APB 時(shí)鐘的功能，以進(jìn)一步降低功耗。

未使用任何 AHB/APB 外設(shè)并且其時(shí)鐘被禁用時(shí)，會出現(xiàn)以下情況：

? 當(dāng)在 RCC_CFGR2 中設(shè)置 AHB1DIS = 1 時(shí)，AHB1 外設(shè)的所有時(shí)鐘都關(guān)閉（ BKPSRAM、DCACHE1、FLASH、ICACHE 和 SRAM1 除外）。

? 當(dāng)在 RCC_CFGR2 中設(shè)置 AHB2DIS = 1 時(shí)，來自 RCC_AHB2ENR1 的 AHB2 外設(shè)的所有時(shí)鐘都關(guān)閉（SRAM2 和 SRAM3 除外）。

? 當(dāng)在 RCC_CFGR3 中設(shè)置 AHB3DIS = 1 時(shí)，AHB3 外設(shè)的所有時(shí)鐘都關(guān)閉（SRAM4 除外）。

? 當(dāng)在 RCC_CFGR2 中設(shè)置 APB1DIS = APB2DIS = 1 且在 RCC_CFGR3 中設(shè)置 APB3DIS = 1 時(shí)，APB1/2/3外設(shè)的所有時(shí)鐘都關(guān)閉。

當(dāng)啟用外設(shè)時(shí)，其時(shí)鐘可在器件處于休眠模式時(shí)通過清除 RCC_AHBxSMENR 和 RCC_APBxSMENR 中的外設(shè)SMEN 位而自動關(guān)閉。外設(shè)的 EN 位和 SMEN 位均須設(shè)置為 1，以便在休眠模式下保持時(shí)鐘開啟。

外設(shè)的 SMEN 位還用于根據(jù)外設(shè)請求在停機(jī) 0 和停機(jī) 1 模式下允許外設(shè)提供時(shí)鐘。當(dāng)外設(shè)請求時(shí)鐘時(shí)，該時(shí)鐘將分配給所有啟用的外設(shè)。因此，如果在停機(jī)模式下未使用外設(shè)，則須在進(jìn)入停機(jī)模式之前清除 SMEN 位。

Caution： 外設(shè)的 SMEN 位必須設(shè)置成允許產(chǎn)生能夠從停機(jī)模式喚醒器件的中斷。

3.3 使用 LPBAM 優(yōu)化外設(shè)功耗

STM32U575/585 器件支持低功耗后臺自主模式（LPBAM），使外設(shè)能夠在停機(jī) 0、停機(jī) 1 和停機(jī) 2 模式（無任何軟件運(yùn)行）下工作并保持自主。

由于外設(shè)自身的獨(dú)立時(shí)鐘（稱為內(nèi)核時(shí)鐘）請求性能，此功能在停機(jī)模式下可用。該內(nèi)核時(shí)鐘在有外設(shè)請求時(shí)自動打開，并在無外設(shè)請求時(shí)自動關(guān)閉。如需更詳細(xì)信息，請參考［1］。

3.3.1 支持 LPBAM 的外設(shè)

下表列出了支持 LPBAM 的所有 STM32U575/585 外設(shè)。

3.3.2 主要用例

以下是可以留在停機(jī)模式下完成的用例示例（有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參見文檔［4］）：

? 由低功耗定時(shí)器（或任何其他觸發(fā)器）觸發(fā)的 ADC 或 DAC 轉(zhuǎn)換

? 音頻數(shù)字濾波器數(shù)據(jù)傳輸?shù)?SRAM 中：檢測到聲音活動時(shí)從停機(jī)喚醒

? I2C/SPI 從設(shè)備傳輸、UART/LPUART 接收：在外設(shè)傳輸結(jié)束時(shí)或在 DMA 緩沖區(qū)事件時(shí)喚醒

? 由 LPTIM 觸發(fā)器觸發(fā)的（例如傳感器周期性讀取）I2C/SPI 主設(shè)備傳輸，UART/LPUART 傳輸：在外設(shè)傳輸結(jié)束時(shí)或在 DMA 緩沖區(qū)事件時(shí)喚醒

? 外設(shè)之間的橋。例如：通信外設(shè)傳輸?shù)?ADC 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

? 從 SRAM 到另一個(gè) SRAM 的數(shù)據(jù)傳輸

4、低功耗模式的選擇方法

考慮一個(gè)簡化的應(yīng)用模型，其中應(yīng)用每隔 Tperiod 喚醒一次，始終執(zhí)行一些相同操作并將指令數(shù)視為常數(shù)（無等待循環(huán)，無數(shù)據(jù)依賴）。然后可以進(jìn)行以下近似計(jì)算：

? PROCESS 階段持續(xù)時(shí)間（Tprocess）可由每個(gè)階段要執(zhí)行的時(shí)鐘周期次數(shù)（NOC）來定義。將 FCLK 定義為CPU 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，PROCESS 階段的持續(xù)時(shí)間等于 TPROCESS = NOC / FCLK。此階段的平均電流消耗等于Iprocess。

? INACTIVE 階段的持續(xù)時(shí)間為 TPERIOD - TPROCESS，其平均電流消耗為 IINACTIVE。

?

4.1 PROCESS 階段

根據(jù)處理要求（DMIPS），可以使用下列不同運(yùn)行模式中的某一種：

? 具有 Range 1 電壓的運(yùn)行模式，在 160 MHz 運(yùn)行時(shí)最大可達(dá) 240 DMIPS

? 具有 Range 2 電壓的運(yùn)行模式，在 110 MHz 運(yùn)行時(shí)最大可達(dá) 165 DMIPS

? 具有 Range 3 電壓的運(yùn)行模式，在 55 MHz 運(yùn)行時(shí)最大可達(dá) 82.5 DMIPS

? 具有 Range 4 電壓的運(yùn)行模式，在 25 MHz 運(yùn)行時(shí)最大可達(dá) 37.5 DMIPS

選擇頻率時(shí)另一個(gè)需要考慮的參數(shù)是支持相關(guān)外設(shè)約束（如有）的能力。

4.2 INACTIVE 階段

STM32U575/585 期間提供了可用于 INACTIVE 階段的不同低功耗模式：

? 睡眠

? 停機(jī) 0（主調(diào)壓器開啟）

? 停機(jī) 1（具有低功耗穩(wěn)壓器）

? 停機(jī) 2（具有低功耗穩(wěn)壓器）

? 停機(jī) 3（具有低功耗穩(wěn)壓器）

? 待機(jī)（具有 RTC 和 SRAM2 保留選項(xiàng)）

? 關(guān)斷（使用 RTC 作為選項(xiàng)）

根據(jù)喚醒源和睡眠周期持續(xù)時(shí)間，可選擇下述某一種模式：

? 睡眠：如果反應(yīng)性是關(guān)鍵參數(shù)（此時(shí)喚醒時(shí)間僅為 8 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期）

? 停機(jī) 0：當(dāng)喚醒時(shí)間至關(guān)重要時(shí)（如果程序位于 Flash 中，則《2.5μs）

? 停機(jī) 1：如果有多個(gè)外設(shè)需保持喚醒且系統(tǒng)有多種喚醒源（此時(shí)應(yīng)用必須能夠容許約 13 μs 的從 Flash 喚醒的時(shí)間）

? 停機(jī) 2：如果有少數(shù)外設(shè)需保持喚醒且能產(chǎn)生喚醒事件，如 DMA 傳輸完成、LPUART/SPI/I2C 傳輸事件、通

過 SDF 語音檢測、ADC 模擬看門狗（此時(shí)應(yīng)用須能夠容許約 20 μs 的從 Flash 喚醒的時(shí)間）

? 停機(jī) 3：如果除 RTC 之外無其他外設(shè)需要在保留所有 SRAM 的情況下保持喚醒，在 FSTEN = 0 時(shí)從 Flash喚醒的時(shí)間為 66.5 μs

? 待機(jī)：如果除 RTC 之外無其他外設(shè)需要保持喚醒，并且需要保留不超過 64 KB 的 SRAM2（此時(shí)應(yīng)用須容許在 MSIS = 4 MHz 且 FSTEN = 0 時(shí)從 Flash 喚醒的時(shí)間約為 64.5 μs）

? 關(guān)斷：如果只有 RTC 和備份寄存需要保持喚醒（此時(shí)應(yīng)用須容許在 MSIS = 4 MHz 時(shí)約 610 μs 的喚醒時(shí)間）

喚醒時(shí)間取決于代碼位置（Flash）、系統(tǒng)時(shí)鐘源和頻率。詳細(xì)情況請參考［2］。上述從停機(jī)喚醒的圖形對應(yīng)于 24MHz 或 4 MHz 時(shí)的 MSIS 且代碼在 Flash 中。為了縮短喚醒時(shí)間，建議在 PWR_CR2 中設(shè)置 FLASHFWU = 1 且SRAM4FWU = 1。

4.3 睡眠模式選擇

以下數(shù)值結(jié)果基于從文檔［2］中提取的 25°C 時(shí)的典型規(guī)格值。

針對 RTC 處于 INACTIVE 階段的不同選擇的低功耗模式（睡眠、停機(jī) 1 、停機(jī) 2、停機(jī) 3、具有 RTC 和 SRAM2保留功能的待機(jī)、待機(jī)和關(guān)斷），下圖給出了作為主電源（VDD）函數(shù)的理論功耗。

前面的圖表明，對于需要保留一些數(shù)據(jù)的應(yīng)用，待機(jī)模式可實(shí)現(xiàn)最佳能耗，而停機(jī) 3 模式是保留所有 SRAM 的最低功耗模式。如圖 7 所示，使用 SMPS 將能耗降至一半。

丟棄了關(guān)機(jī)模式（虛線），因?yàn)樵撃Ｊ綗o法為此類應(yīng)用提供足夠的數(shù)據(jù)保持能力。

低功耗模式選擇不只是由總體功耗決定的，還與連接到該應(yīng)用的其他喚醒考慮有關(guān)。圖 6 而且圖 7 表明，相比于待機(jī)，以少量額外功耗為代價(jià)，停機(jī) 2 和停機(jī) 3 模式針對喚醒的設(shè)置更加強(qiáng)大、簡單和快速（無需外設(shè)重新初始化）

?4.4 低功耗模式選擇

對于實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)喚醒周期，可使用下面的準(zhǔn)則：

? 如果喚醒周期長于幾十 ms，則使用待機(jī)模式實(shí)現(xiàn)，可具有更好的功耗性能。

? 如果喚醒周期較短，則使用停機(jī) 2 或停機(jī) 3 模式實(shí)施效果則更好。

? 如果溫度較高，則最好使用待機(jī)模式。

低功耗模式選擇不僅依賴于功耗，還與喚醒時(shí)間要求（系統(tǒng)反應(yīng)性）和數(shù)據(jù)保持要求有關(guān)。如果處理可適應(yīng)低于 24 MHz 的頻率，則最優(yōu)點(diǎn)如下：

? 待機(jī)或停機(jī) 3 模式

在待機(jī)模式下，最佳點(diǎn)是喚醒轉(zhuǎn)換時(shí)間長于 66μs、保留區(qū)低于 64KB SRAM + 2KB BKPSRAM。在停機(jī) 3 模式下，可以保留所有 SRAM。

? 停機(jī) 2 模式

最佳點(diǎn)是喚醒轉(zhuǎn)換時(shí)間長于 20μs 并且保留區(qū)大于 66KB （64KB SRAM2 + 2KB BKPSRAM）保留。

如果喚醒周期長于幾秒且無需保留內(nèi)存，則關(guān)機(jī)模式下會有最好的功耗性能。這種情況下喚醒時(shí)間典型值為 610μs。

4.5 轉(zhuǎn)換的影響

為了完成這項(xiàng)研究，必須考慮在轉(zhuǎn)換階段（喚醒和停用）消耗的能量。

根據(jù)文檔［2］，在 VDD=3.0V 時(shí)，使用 SMPS，離開低功耗模式時(shí)所消耗的能量大致為：

? 1.1 nAs，對于從停機(jī) 1 到運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換（MSI = 24 MHz）

? 0.57 nAs，對于從停機(jī) 2 到運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換（MSI = 24 MHz）

? 4.54 nAs，對于從停機(jī) 3 到運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換（MSI = 24 MHz）

? 21.22 nAs，對于從待機(jī)到運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換（MSI = 4 MHz）

? 457.29 nAs，對于從關(guān)斷到運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換（MSI = 4 MHz）

5、ULPMark-CP 用例優(yōu)化

5.1 ULPMark-CP 描述

ULPMark-內(nèi)核配置文件（CP）基準(zhǔn)側(cè)重于 MCU 內(nèi)核，特別是睡眠中的能源成本，以及與激活模式之間的轉(zhuǎn)換。

該基準(zhǔn)使用一組可在 8 位、16 位和 32 位微控制器之間移植的通用工作負(fù)載。內(nèi)核配置文件以 1 秒的占空比運(yùn)行，將這些工作負(fù)載與延長的不活動時(shí)間相結(jié)合，從而啟用微控制器低功耗模式。

在測試的激活部分，基準(zhǔn)測試執(zhí)行以下操作：

? 生成 20 個(gè) GPIO 脈沖。

? 執(zhí)行 8 位線性插值。

? 執(zhí)行 16 位積分（過濾器）。

? 計(jì)算 7 段 LCD 二進(jìn)制轉(zhuǎn)換（保存狀態(tài)）。

? 在字符串中搜索子字符串。

? 執(zhí)行小型冒泡排序。

? 根據(jù)輸入和先前狀態(tài)置換字符串的位。

下圖顯示了 ULPMark-CP 基準(zhǔn)在長時(shí)間睡眠中運(yùn)行，隨后短暫喚醒以執(zhí)行最少的處理，模擬睡眠邊緣節(jié)點(diǎn)來節(jié)省能源（更多詳細(xì)信息，請參見［5］）。

5.2 應(yīng)用約束條件

ULPMark-CP 規(guī)定了下列約束條件：

? 該應(yīng)用每秒喚醒一次，基于精確 RTC 在一組數(shù)據(jù)上執(zhí)行某些操作。

? 從一個(gè)處理周期到下一個(gè)處理周期時(shí)，數(shù)據(jù)需要保持。這要求在 INACTIVE 階段中能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)。

? 利用編譯器最強(qiáng)優(yōu)化選項(xiàng)進(jìn)行編譯時(shí)，應(yīng)用所需的處理周期數(shù)約為每秒 10000 周期。

對于系統(tǒng)反應(yīng)性不作特別約束，以便服務(wù)外部事件或 RTC 周期中斷。

5.3 PROCESS 階段優(yōu)化

基準(zhǔn)測試的激活部分僅運(yùn)行總運(yùn)行時(shí)間的約 3%，因此用戶可以使用內(nèi)部 MSIS，使用對應(yīng)于 16 MHz 電壓調(diào)節(jié)范圍4 的功率最佳點(diǎn)。在 16 MHz 標(biāo)稱頻率下使用MSIS 時(shí)，其功耗低于使用 PLL 的任何其他解決方案。

為了進(jìn)一步優(yōu)化激活階段的功耗，可以應(yīng)用以下步驟：

1. 在運(yùn)行模式下關(guān)閉 SRAM1、SRAM2、SRAM3、SRAM4。

2. 將系統(tǒng)時(shí)鐘配置為 16 MHZ 的 MSIS 電壓調(diào)節(jié)范圍 4。

3. 將數(shù)據(jù)置于 BKPSRAM。

4. 禁用未使用的 AHB/APB 時(shí)鐘。

5. 將所有 GPIO 引腳置于模擬模式。

6. 關(guān)閉 Flash 存儲區(qū) 2。

7. 啟用 Flash 低功耗模式。

8. 配置編譯器優(yōu)化（高速，無大小限制）。

下圖顯示了處于激活階段的 ULPMark-CP。從喚醒到進(jìn)入低?功耗模式大約需要 156μs，在 16 MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘 MSIS的運(yùn)行模式下消耗 550 μA 電流。

5.4 INACTIVE 階段優(yōu)化

ULPBench-CP 基準(zhǔn)要求從一次運(yùn)行到下一次運(yùn)行時(shí)能夠在低功耗模式下保持?jǐn)?shù)據(jù)變量無變化。因此，不可使用關(guān)機(jī)模式，因?yàn)樵撃Ｊ綗o法為該應(yīng)用提供足夠的數(shù)據(jù)保持能力。

停機(jī) 3 模式可在保留 8 KB SRAM2 或 2 KB BKPSRAM 以及最短喚醒時(shí)間的條件下使用。然而，最節(jié)能的解決方案是使用待機(jī)模式并且具有 RTC 和 8 KB SRAM2 或 2 KB BKPSRAM 數(shù)據(jù)保持。

為了進(jìn)一步優(yōu)化 INACTIVE 階段的功耗，可以應(yīng)用以下步驟：

1. 啟用 SMPS 調(diào)壓器。

2. 啟用 ULPMEN 位。

3. 在停機(jī) 3 模式下關(guān)閉未使用的 SRAM。

4. 禁用 AHB/APB 外設(shè)的所有時(shí)鐘（RTC 的 AHB3/APB3 除外）。

下圖顯示了待機(jī)模式下處于 INACTIVE 階段的 ULPMark-CP，其中平均電流消耗為 1.34μA。

下圖顯示了停機(jī) 3 模式下處于 INACTIVE 階段的 ULPMark-CP，其中平均電流消耗為 2.97μA。

在 ULPBench 基準(zhǔn)的情況下，喚醒周期為 1 秒，處理載荷約為每秒 10 K 循環(huán)時(shí)，最佳選擇是在 INACTIVE 階段使用待機(jī)模式，在 PROCESS 階段關(guān)聯(lián)地使用 16 MHz（來自 MSIS）下電壓調(diào)Range 4 模式。

5.5

STM32U575/585 測量結(jié)果

下圖顯示了在 PROCESS 階段使用不同系統(tǒng)時(shí)鐘頻率進(jìn)行的 ULPMark-CP 得分測量，其中非活動階段使用具有BKPSRAM 保留和 RTC 功能的待機(jī)模式。

結(jié)果提供了不同的時(shí)鐘配置：對于低于 24MHz 的頻率，使用 MSI（因?yàn)閺拇龣C(jī)模式喚醒時(shí)會自動啟動）。

如在理論研究中已經(jīng)看到的，使用電壓調(diào)節(jié)范圍 4 在 16 MHz 時(shí)，使用 MSIS 實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果。

5.6 電壓范圍內(nèi)的性能演變

EEMBC 定義了 3.0V 的基礎(chǔ)測試默認(rèn)值，但該電壓并不代表電池供電的低功耗應(yīng)用。使用 LDO 調(diào)壓器時(shí)，與保持在 3.0V 相比，移至較低電壓時(shí)的功率增益明顯。相反，當(dāng)使用 SMPS 調(diào)壓器增加 VDD 時(shí)，功耗降低。這就是為什么 EEMBC 引入了用戶定義電壓的比較，讓制造商選擇理想的工作條件。

下圖顯示了不同電壓下的 ULPMark-CP 得分測量。

6、結(jié)論

本應(yīng)用筆記介紹了 STM32U575/585 微控制器的超低功耗特點(diǎn)。它們顯示了此微控制器系列在嵌入式系統(tǒng)中降低電流消耗方面所具有的優(yōu)勢。無論何種應(yīng)用，這些器件均可在優(yōu)化性能和功耗方面提供多種選擇。

基于實(shí)驗(yàn)和定量結(jié)果，本文檔提供了相關(guān)指南，幫助根據(jù)終端用戶應(yīng)用的特點(diǎn)和約束條件，快速選擇最佳運(yùn)行和低功耗模式?！　?/p>