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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
引言' V- e7 U, w0 ]/ P* s7 F
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。1 X" a/ j4 {$ ^! W" H; s2 M0 Z: ]
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。
6 W/ m8 ]) k# g7 ^" ?) ~% _$ b  ^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。1 Q* N. F8 g( [& L
STM32U5 器件支持 4 种主要低功耗模式:7 H+ J1 e5 r! f% }" T7 f
• 睡眠模式' r' P! r3 a' |) u
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。+ e8 K# K7 z6 A* M
• 停机模式; e& e; v" ~  M; c! c
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。( q1 g' G. p3 `1 I5 W
• 待机模式
) O* r  i/ m0 A! a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。7 u9 r( b6 b6 y( t" q0 k  ~- e) [
• 关断模式
% t  G. @& ]7 g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。
2 B" f5 I3 ]. Z8 j6 F( o' F/ s; b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™。

/ k5 r- U: r4 d& x' m4 z" N' F' t/ E1 概述/ {2 y) }( N4 J5 r' _& n1 ?
本应用笔记适用于基于 Arm® Cortex®内核设备的 STM32U5 系列。# y" G& w' V7 t, f* u9 ?7 s
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。, C' k6 I* B6 E- M% i; h1 ^
参考文档0 ^# U) Z+ I* t2 P- B
[1] 参考手册:基于 Arm 的 STM32U575xx 和 STM32U585xx 高级 32 位 MCU(RM0456)7 b% n! V4 U0 }9 Y$ U8 e
[2] STM32U575xx(DS13737)和 STM32U585xx(DS13086)的数据表, d- o$ i. N0 e4 V# V
[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)* p: N! }. T( c. K; N0 r! R
[4] 应用笔记 STM32U575/585 功耗优化(AN5652)
; R$ G/ L- J; l0 `+ G8 [' o[5] EEMBC 组织网址 http://www.eembc.org3 _' v$ k) z3 n" j, B( i
! X- X" H: s! r" N7 }% i, I
2 LPBAM 简介1 ~+ j0 H0 [( U2 W0 @3 x1 E
2.1 LPBAM 概述
* }7 u' Q6 A' J0 x9 u
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:+ N# Q! z1 E  R4 Y) h+ v
• 外设数据传输+ C, `3 y+ ?% N( z( \4 M9 ?) D
• 外设配置' e7 o9 R; S( A% r$ [% i
使用 LPBAM 自动优化功耗:
# L! X: \2 i" u" u' j$ U9 n; |; [• 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。
5 z% l% p8 O- u2 ^8 u* [, E9 v• 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。
5 _& q* a4 U1 l' J  H6 n• 模拟外设在需要时自动开启和关闭。
1 [7 G4 v* m  x7 g( b1 U9 M• 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。% K3 N/ a7 @6 |+ S; Z0 ?& u( D3 ~
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。
4 }% q( C: \* K$ r7 uLPBAM 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
& j  G/ f% J- ?, u2C 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:! d# x2 n' o, b) y
• 外设的传输/转换结束
* J$ A2 r, b) O" u( Z% I' y• DMA 传输完成
* l/ Y, _' X) @! G• 错误检测

1 Z# _  H0 U. ?+ K* u% S" q# J2 D+ _' F% R; o; Y3 g

) J. k) w. U' ?& O* d )$O6G{EA_{CW[}Z(WXJ6J`4.png ) b' [$ p! C8 O! {
, c$ B* F" b1 s8 g
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。
8 q$ X, I& H( Y* B2 g
3 }8 a( R7 ?: Q
2.2 支持 LPBAM 的外设& B, w; _. f; P8 f
支持 LPBAM 的外设可分为两类:
" l" e. o$ y- h. N9 d$ E5 R• 具有时钟请求功能的自主外设
3 R' ~# I$ e0 E" b! }这些外设支持停机模式下的 DMA 传输。
1 U- G6 z2 M, W. N+ k• LPBAM 被动外设! G- s8 O. @& Y# M2 X% _
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。
1 G) C. |( v* U8 a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。
% A: p& h; ?2 w' @提示 停机 3 模式不支持 LPBAM。
" Z0 m9 I$ ~# r9 p/ F

; Q0 Z& [( Z5 ?# M6 Q6 e

+ a& M, u1 f: I# m  I) j8 L& a 2Y4{W%Z~G1O@8URY%HD4ZB9.png
6 X% _. `$ V" Y, D& g0 c. \: Q/ G! C% l+ u# ~2 n, a' j/ c2 M
3 LPBAM 硬件机制
7 a8 S5 e5 l1 E6 ?% a( |# _8 j3.1 电源和时钟架构

- ?6 P  c8 W0 ?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。

' Q. e1 o1 U; c7 C$ B* C2 d! @4 Z8 p. r3 R; a4 C
) }. n" ?0 m5 f6 @* o: {' }
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( y. C9 g0 _5 F: q; C6 m  @; s2 Q2 w( v  Y  {7 L' i# w
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。
$ T2 H  }/ L9 K, {8 ?3 n8 W5 ]: J
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。1 C/ p( B3 e: y1 c: R
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。
; F6 O+ M" K7 C' @1 B  C: ]
+ M1 ?! W: D4 Q( @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- [" M6 A8 m9 i8 K  S, H# g- b1 W
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)。$ T# X  f$ d( A& I! t
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。

, L( |7 T8 q7 D/ ~2 S
  c# Z& u4 _0 M- {) O

# C9 L: n8 P" O9 p4 E! ^ AK9BE6A({VIF7[(%G9T{ZYY.png
" H# Z8 g: T0 w2 d0 Y1 E3 l1 f; c# E) k" C) S& Y- E
SmartRun 域可以具有两种状态:
" r9 `5 {0 M  Z0 k6 L• SRD 处于 DStop 状态:不存在 AHB3/APB3 时钟。& T8 `8 u& I% u! T: u# r
• 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)。

# n* B+ P# K0 y2 Y3 a, l9 Y+ b5 X1 u$ K3 ^) X

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% l/ b  e; U& `
5 n+ {5 u' c( M) U提示 通过设置 PWR-CR2 中的 SRDRUN 位,可强制使 SRD 始终处于 DRun 状态。1 X! _7 ~/ M1 `+ N
下表详细介绍了域状态和时钟分布。

$ @7 S8 \5 ^. b: {9 d5 }" M3 ]9 \& p" y, h3 i
. y, W* A2 U4 z% \4 A
$B54MJ7}`NKAFW@JJ4{44VA.png " l; n6 O& @8 R; U/ ^! Z
- _8 Q) o5 ~% Q7 {
警告: 对于任何需要在停机 0、停机 1 或停机 2 模式期间正常工作或由 LPDMA1 访问的 SRD 外设,都须使用在RCC_AHB3ENR/RCC_APB3ENR、RCC_AHB3SMENR/RCC_APB3SMENR 和 RCC_SRDAMR 寄存器中设置的三个使能位进行配置。
! O% i$ R- Z( w

. \) o$ L8 D. P0 _  l' N3 F

4 E8 v) U: M4 `+ v( F完整版请查看:附件6 `- W0 O, a- A: j* f( L
; M8 s% E. c! _) c9 o# i: ]0 _

2 U# H5 `8 x/ C

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