利用 STM32L4 系列微控制器优化功耗和性能

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STMCU小助手发布时间：2022-7-13 10:25

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文章简介:	利用 STM32L4 系列微控制器优化功耗和性能

前言
STM32L4 系列的微控制器采用新型结构制造，得益于其高度灵活性和高级外设集，实现了一流的超低功耗性能。 STM32L4 系列产品的性能为应用提供最佳能量效率，在超低功耗领域首屈一指。
STM32L4xx 器件基于 Cortex®-M4，具有 FPU 内核。它们的工作频率可达 80 MHz，并实现了在 80 MHz 频率下具有 100 DMIPS 的性能，由于集成了 ART Accelerator™，还能同时保持尽可能小的动态功耗。
STM32L4 系列产品具有 FlexPowerControl，它提高了功耗模式管理上的灵活性，同时降低了应用的总体功耗。
为了能最大限度地使用电池并 / 或降低其成本，处理器工作模式的选择是很重要的。除了功耗考虑，还必须考虑应用约束条件。因此，微控制器需要能提供多种工作模式，以支持所有的应用，同时要使功耗性能始终接近最佳。
在许多超低功耗应用中，微控制器长期处于睡眠中，随后有很短时间的密集工作。
本应用笔记提供了定性和定量信息，以便能在开始实现和优化应用之前配置每个工作点（频率、范围、低功耗模式 ……）。
本应用笔记采用了来自 EEMBC 工业标准的 ULPBench™ 基准作为参考实例，将计算和仿真与测量结果关联起来。

1低功耗应用简介
在关注电池寿命的应用中，必须优化系统，以在最小功耗下提供最大性能和反应性。
这类应用通常包括两个不同阶段：
• PROCESS 阶段，其中，在规定时间间隔（RTC）或外部事件（GPIO，中断 ……）下，需要处理一些传感器或无线电信息。
• INACTIVE 阶段，其中，系统处于睡眠，并等待 RTC 或 GPIO 唤醒。

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1.1 要考虑的关键参数
两个阶段具有不同的性能标准（除了功耗以外）：
• PROCESS 阶段要求在给定时间帧内执行一定数量的指令。
• INACTIVE 阶段要求能保持一定的最少内容（数据 RAM 保持）和唤醒能力（外设，GPIO， RTC……），同时使功耗尽可能低。
而且，两个阶段之间的转换须支持不同的约束条件：
• 睡眠到运行的转换要求在转换时具有快速唤醒时间且峰值电流（也称为浪涌电流）最小，以便能够设置外部电源。
• 运行到睡眠的转换不太关心其时间，但需要进行优化以节约能源。

当面临这样突发型操作时，需要考虑四个参数：
• 平均功耗。该参数（Pavg，以 µW 表示）决定了电池大小，以支持所预期的自主性。
• 最大峰值电流。该参数（Ipeak，以 µA 表示）决定了可用的电池类型，以及需添加到板上的外部元件的数量和尺寸（去耦电容）。
• PROCESS 阶段的处理性能。该参数以 DMIPS 表示，它与 CPU 频率（Freq）成比例。
• 反应时间。它是唤醒信号源激活和第一条指令执行之间的时间，通常在中断服务程序（ISR）内、上下文被恢复后（Power，数据空间上下文，时钟 ……）。

1.2 ULPBench™ 说明
EEMBC ULPBench™ 基准非常适合用来评估超低功耗性能。它是一种标准化测试，支持任何 8 位、 16 位和 32 位微控制器的特性。
至今，只有 CoreProfile 已经标准化。它支持对下列资源的能效进行评估：
• CPU， RAM 和闪存
• RTC 定时器和唤醒机制
• 32 kHz LSE
• 电源管理电路
PROCESS 阶段中， EEMBC ULPBench™ CoreProfile 实现：
• 数据数组操作，包括置换和排序
• 利用 8 位和 16 位数学计算进行简单滤波
• 简单状态机
• 简化的 RTOS，称为 TES，能够测试实时事件。
用来比较不同的微控制器时， ULPBench™ 结果以得分表示，它由平均功耗（以 µW 表示）除以 1000 得到。

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其中 Avg_current （µA）是电流消耗 IDD ，在 VDD = 3.0 V 时测得。

2 STM32L4 系列产品低功耗特性
2.1 多种低功耗模式
STM32L4 系列的微控制器可实现多种不同的功耗模式，其中 7 种是低功耗的。
除了这些模式，通过选择不同的时钟源和频率，以及关闭不用的外设的时钟，可调节功耗。
在所有这些方法中，除了关机之外，安全功率监测欠压复位（BOR）和 IWDG 可保持激活，以保证能够安全运行。
AN4621 中提供了更多详细内容。

2.1.1 低功耗运行和低功耗睡眠模式
除了那些能在 STM32Fx 系列产品上实现的模式（睡眠，停止和待机）外，有两种低功耗活动模式可在 STM32L4 系列产品上使用，它们是低功耗运行和低功耗睡眠。
它们为应用提供了具有极低电流消耗的运行和睡眠模式功能，这种情形下一些外设不能关闭，或者 CPU 持续低速工作以使电流变化最小。
已经实现了多种功能来降低电流消耗：
• 内核逻辑由低功耗稳压器供电，以降低静态电流；
• 在低功耗睡眠模式下，可关闭闪存（掉电模式和时钟门控）。当处理器从 SRAM1 或SRAM2 执行时，它还可在低功耗运行模式下关闭；
• 系统时钟频率最大限于 2 MHz。可选择 MSI 内部 RC 振荡器，因为它支持多种频率范围，低功耗睡眠闪存关闭时 MCU 总消耗很小，在 100 kHz 可低至 18 µA。

批采集子模式（BAM）
STM32L4 微控制器支持功率高效批采集子模式（BAM），其中数据利用通信外设传输，器
件其他部分处于低功耗模式。
这可通过利用以下配置进入睡眠或低功耗睡眠模式来实现：
• 睡眠（或低功耗睡眠）模式下，仅 DMA、通信外设和 SRAM1 或 SRAM2 时钟使能；
• 睡眠（或低功耗睡眠）模式下闪存关闭：闪存掉电，且闪存时钟门控关闭；
• 如果系统时钟可限制于 2 MHz 内，则主稳压器关闭（以进入低功耗睡眠）。
低功耗睡眠模式下， I2C 和 USART/LPUART 外设仍然可由 16 MHz HSI 提供时钟。这允许支持 BAM，且 I2C 或 USART 速度可达 1 Mbps。

2.1.2 停止模式
STM32L4 系列产品实现了两个停止模式，具有完全 SRAM 和外设保持能力，并且由于使用了高达 48 MHz 的 MSI，能够在 4 µs 内唤醒。
在这些停止模式下，所有高速振荡器（HSE， MSI， HSI）都停止，而低速振荡器（LSE，LSI）可保持活动。外设可设置为活动的，需要时可使用 HSI 时钟，能够在一些特定事件（如 UART 字符接收或 I2C 地址识别）下唤醒设备。
Stop2 模式可实现专门机制，使保持电流尽可能低，同时允许非常快速的唤醒，从 SRAM 唤醒需要 5 µs，或从闪存唤醒需要 8 µs。

2.1.3 待机模式
待机模式下， BOR 始终使能，这保证了在供电电压低于所选功能阈值时器件处于复位。默认待机模式下 SRAM 内容丢失。但是，可以保持 SRAM2 的内容（有 230 nA 的额外电流消耗）。
在待机模式下可在每个 I/O 上独立地施加上拉和下拉，这能够保持外部器件配置。
借助某一个（共五个）唤醒引脚、复位引脚或独立看门狗，能够从该模式唤醒。由低速振荡器（LSE 或 LSI）定时的 RTC 在此模式下也是起作用的，具有唤醒功能。

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2.1.4 关机模式
在 STM32L4xx 器件上实现了新的关机模式，以延长电池供电应用中的电池寿命。
通过关闭内部稳压器，以及禁用耗电监控，该模式可实现最低电流消耗（3 V 时消耗为 60 nA）。借助某一个（共五个）唤醒引脚或复位引脚，能够从该模式唤醒。由低速外部振荡器（LSE）定时的 RTC 在此模式下也是起作用的，具有唤醒功能。

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