STM32U5 系列使用 LPBAM 进行功耗优化

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STMCU小助手发布时间：2022-10-15 18:54

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文章简介:	STM32U5 系列使用 LPBAM 进行功耗优化

引言
STM32U5 系列微控制器基于具有 Arm® TrustZone®和 FPU 的高性能 Arm®32 位 Cortex®-M33 CPU。此类产品均采用新型结构制造，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。
除了多种 CPU 激活模式配置（可实现更高性能或更低功耗）之外，STM32U5 系列还支持大量低功耗模式，每种模式都具有多个选项。这使得设计人员可以在低功耗性能、短启动时间、可用外设集与 SRAM 数量，以及唤醒源最大数量之间实现最佳折中。
嵌入式 SMPS（开关模式电源）降压转换器可用于带有“Q”后缀的特定部件号（例如 STM32U5xxxxxxQ），从而提高激活和低功耗模式下的能源性能。
STM32U5 器件支持 4 种主要低功耗模式：
• 睡眠模式
CPU 时钟关闭，但所有外设均可保持激活状态。所有外设中断或事件可唤醒 CPU。
• 停机模式
高速时钟默认关闭，所有外设和内存保留均可保持激活状态。四种停机模式可供使用：停机 0、停机 1、停机 2 和停机 3，功耗从高到低。LPBAM（低功耗后台自主模式）是一项创新功能，停机 0、停机 1 和停机 2 模式均支持该功能。借助于LPBAM，一些外设继续与 DMA（直接内存访问）一起自主工作。当外设须保持激活状态时，这大幅降低了应用的功耗。通过 LPBAM，可保持激活的外设数量在停机 2 中要比在停机 0 和停机 1 更少。停机 3 模式不支持 LPBAM。
• 待机模式
内部调压器关闭。大多数外设和 SRAM 保留随后丢失。在待机模式下最多可保留 64 KB SRAM2 和 2 KB BKPSRAM。
• 关断模式
这与待机模式类似，但电源欠压复位和监控被禁用。在该模式下则无法切换到 VBAT。
通过 LPBAM 和高能效处理，高度灵活的低功耗模式与自主外设相结合，使STM32U575xxxxQ/STM32U585xxxxQ 器件达到行业领先的 EEMBC®ULPBench™分数，高达 535ULPMark™。
1 概述
本应用笔记适用于基于 Arm® Cortex®内核设备的 STM32U5 系列。
提示 Arm 是 Arm Limited（或其子公司）在美国和/或其他地区的注册商标。
参考文档
[1] 参考手册：基于 Arm 的 STM32U575xx 和 STM32U585xx 高级 32 位 MCU（RM0456）
[2] STM32U575xx（DS13737）和 STM32U585xx（DS13086）的数据表
[3] 应用笔记用于硬件设置和低功耗的 STM32 微控制器 GPIO 配置（AN4899）
[4] 应用笔记 STM32U575/585 功耗优化（AN5652）
[5] EEMBC 组织网址 http://www.eembc.org

2 LPBAM 简介- O" \ a, K0 n: D) N' v
2.1 LPBAM 概述
LPBAM（低功耗后台自主模式）是一种操作模式，允许外设从设备功耗模式到停机 2 模式独立地正常和自主运行，无需运行任何软件。由于 DMA 链表传输，LPBAM 子系统可以链接不同的操作。DMA 操作可涉及：
• 外设数据传输
• 外设配置
使用 LPBAM 自动优化功耗：
• 外设的总线时钟和内核时钟仅在自主外设请求时予以分配。总线时钟（又称系统时钟）通过 AHB 和 APB 分配给所有启用的外设，其中至少包括一个 DMA 和一个 SRAM。
• 内部 RC 振荡器根据外设时钟请求自动开启和关闭。外部振荡器和 PLL 无法用于 LPBAM。
• 模拟外设在需要时自动开启和关闭。
• 该设备可处于低至停机 2 的低功耗模式，无需唤醒来管理外设操作，因此减少了设备唤醒和运行操作期间的能量损失。
即使在停机模式下，大量的硬件触发选择也允许外设自动启动的活动。外设中断在启用时从停机模式唤醒设备。
LPBAM 的典型基本用例是设备处于停机 2 模式下的周期性外设操作（例如 ADC 转换，或通过 I
2C 或 SPI 等通信接口仅限传感器采集）。唤醒源可以是任何外设中断，例如：
• 外设的传输/转换结束
• DMA 传输完成
• 错误检测

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可以使用多个 DMA 通道或在同一通道上链接来自不同外设的操作来构建更复杂的应用。

2.2 支持 LPBAM 的外设
支持 LPBAM 的外设可分为两类：
• 具有时钟请求功能的自主外设
这些外设支持停机模式下的 DMA 传输。
• LPBAM 被动外设
这些外设不支持 DMA 请求，也不支持生成时钟请求。但借助于 DMA 时钟请求，可以在因 DMA 时钟请求而接收到系统时钟时，对外设本身的寄存机进行重新配置。除此之外，有些也可以为自主外设提供硬件触发。
自主或被动 LPBAM 外设产生的任何中断都会将 STM32U5 器件从停机模式唤醒。
提示停机 3 模式不支持 LPBAM。

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3 LPBAM 硬件机制: J; t' ~! j. h6 x5 {
3.1 电源和时钟架构
STM32U5 分为两个域：CPU 域（CD）和 SmartRun 域（SRD）。下图和下表显示了 AHB 和 APB 外设在这两个域中的分布。

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在停机 0 和停机 1 模式下，CPU 域和 SmartRun 域完全供电，而且均可支持 LPBAM 的动态活动。然后可以使用GPDMA1 和 LPDMA1 两者。GPDMA1 可以访问所有设备 SRAM，而 LPDMA1 只能访问 SRAM4。
在停机 2 模式下，CPU 域处于低泄漏模式，禁止任何动态活动。借助 LPBAM，只有 SmartRun 域完全供电并且可以维持动态活动。只能使用 LPDMA1，其只能访问 SRAM4。LPDMA1 链表项和外设数据缓冲区均须位于 SRAM4中。本应用笔记重点介绍停机 2 模式下的 LPBAM，因为这是最有效的节能源模式。
警告：在停机 0 和停机 1 模式下，映射到 AHB3 和 APB3（属于 SmartRun 域）的自主外设只能与 LPDMA1 和 SRAM4一起使用。主要原因在于当 SRD 外设请求总线时钟时，AHB 和 APB 时钟仅分布在 SmartRun 域中，而不是CPU 域中。

3.1.1 停机 0、停机 1 或停机 2 模式下 LPBAM 活动期间 SRD 中的时钟分布
自主外设可请求其时钟（内核时钟或总线时钟），使其能正常工作，在工作完毕后会自动恢复到默认的关闭时钟状态（STOP 状态）来降低功耗（LSE 和 LSI 低功耗低速振荡器除外）。
在停机 2 模式中，只有 SmartRun 域中的外设可正常工作，时钟在该域中运行。下图放大了 SRD 架构，显示了在停机 2 模式下正常工作的所有外设。

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SmartRun 域可以具有两种状态：
• SRD 处于 DStop 状态：不存在 AHB3/APB3 时钟。
• SRD 处于 DRun 状态：AHB3/APB3 时钟存在，并在停机模式下分配给所有在 RCC 中启用的 SRD 外设（参见表 4）。

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提示通过设置 PWR-CR2 中的 SRDRUN 位，可强制使 SRD 始终处于 DRun 状态。
下表详细介绍了域状态和时钟分布。

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警告：对于任何需要在停机 0、停机 1 或停机 2 模式期间正常工作或由 LPDMA1 访问的 SRD 外设，都须使用在RCC_AHB3ENR/RCC_APB3ENR、RCC_AHB3SMENR/RCC_APB3SMENR 和 RCC_SRDAMR 寄存器中设置的三个使能位进行配置。

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