本章參考數據：《STM32F4xx 中文參考手冊》、《STM32F4xx規格書》、庫說明文檔《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。
42.1 STM32的電源管理簡介
電源對電子設備的重要性不言而喻，它是保證系統穩定運行的基礎，而保證系統能穩定運行后，又有低功耗的要求。在很多應用場合中都對電子設備的功耗要求非常苛刻，如某些傳感器信息采集設備，僅靠小型的電池提供電源，要求工作長達數年之久，且期間不需要任何維護；由于智慧穿戴設備的小型化要求，電池體積不能太大導致容量也比較小，所以也很有必要從控制功耗入手，提高設備的續行時間。因此，STM32有專門的電源管理外設監控電源并管理設備的運行模式，確保系統正常運行，并盡量降低器件的功耗。
42.1.1 電源監控器
STM32芯片主要通過引腳VDD從外部獲取電源，在它的內部具有電源監控器用于檢測VDD的電壓，以實現復位功能及掉電緊急處理功能，保證系統可靠地運行。
1. 上電復位與掉電復位(POR與PDR)
當檢測到VDD的電壓低于閾值VPOR及VPDR時，無需外部電路輔助，STM32芯片會自動保持在復位狀態，防止因電壓不足強行工作而帶來嚴重的后果。見圖 421，在剛開始電壓低于VPOR時(約1.72V)，STM32保持在上電復位狀態(POR，Power On Reset)，當VDD電壓持續上升至大于VPOR時，芯片開始正常運行，而在芯片正常運行的時候，當檢測到VDD電壓下降至低于VPDR閾值(約1.68V)，會進入掉電復位狀態(PDR，Power Down Reset)。
圖 421 POR與PDR
2. 欠壓復位(BOR)
POR與PDR的復位電壓閾值是固定的，如果用戶想要自行設定復位閾值，可以使用STM32的BOR功能(Brownout Reset)。它可以編程控制電壓檢測工作在表 421中的閾值級別，通過修改"選項字節"(某些特殊寄存器)中的BOR_LEV位即可控制閾值級別。其復位控制示意圖見圖 422。
表 421 BOR欠壓閾值等級
圖 422 BOR復位控制
3. 可編程電壓檢測器PVD
上述POR、PDR以及BOR功能都是使用其電壓閾值與外部供電電壓VDD比較，當低于工作閾值時，會直接進入復位狀態，這可防止電壓不足導致的誤操作。除此之外，STM32還提供了可編程電壓檢測器PVD，它也是實時檢測VDD的電壓，當檢測到電壓低于VPVD閾值時，會向內核產生一個PVD中斷(EXTI16線中斷)以使內核在復位前進行緊急處理。該電壓閾值可通過電源控制寄存器PWR_CSR設置。
使用PVD可配置8個等級，見表 422。其中的上升沿和下降沿分別表示類似圖 422中VDD電壓上升過程及下降過程的閾值。
表 422 PVD的閾值等級
42.1.2 STM32的電源系統
為了方便進行電源管理，STM32把它的外設、內核等模塊跟據功能劃分了供電區域，其內部電源區域劃分見圖 423。
圖 423 STM32的電源系統
從框圖了解到，STM32的電源系統主要分為備份域電路、內核電路以及ADC電路三部分，介紹如下：
備份域電路
STM32的LSE振蕩器、RTC、備份寄存器及備份SRAM這些器件被包含進備份域電路中，這部分的電路可以通過STM32的VBAT引腳獲取供電電源，在實際應用中一般會使用3V的鈕扣電池對該引腳供電。
在圖中備份域電路的左側有一個電源開關結構，它的功能類似圖 424中的雙二極管，在它的上方連接了VBAT電源，下方連接了VDD主電源(一般為3.3V)，右側引出到備份域電路中。當VDD主電源存在時，由于VDD電壓較高，備份域電路通過VDD供電，當VDD掉電時，備份域電路由鈕扣電池通過VBAT供電，保證電路能持續運行，從而可利用它保留關鍵數據。
圖 424 雙二極管結構
調壓器供電電路
在STM32的電源系統中調壓器供電的電路是最主要的部分，調壓器為備份域及待機電路以外的所有數字電路供電，其中包括內核、數字外設以及RAM，調壓器的輸出電壓約為1.2V，因而使用調壓器供電的這些電路區域被稱為1.2V域。
調壓器可以運行在"運行模式"、"停止模式"以及"待機模式"。在運行模式下，1.2V域全功率運行；在停止模式下1.2V域運行在低功耗狀態，1.2V區域的所有時鐘都被關閉，相應的外設都停止了工作，但它會保留內核寄存器以及SRAM的內容；在待機模式下，整個1.2V域都斷電，該區域的內核寄存器及SRAM內容都會丟失(備份區域的寄存器及SRAM不受影響)。
ADC電源及參考電壓
為了提高轉換精度，STM32的ADC配有獨立的電源接口，方便進行單獨的濾波。ADC的工作電源使用VDDA引腳輸入，使用VSSA作為獨立的地連接，VREF引腳則為ADC提供測量使用的參考電壓。
42.1.3 STM32的功耗模式
按功耗由高到低排列，STM32具有運行、睡眠、停止和待機四種工作模式。上電復位后STM32處于運行狀態時，當內核不需要繼續運行，就可以選擇進入后面的三種低功耗模式降低功耗，這三種模式中，電源消耗不同、喚醒時間不同、喚醒源不同，用戶需要根據應用需求，選擇最佳的低功耗模式。三種低功耗的模式說明見表 423。
表 423STM32的低功耗模式說明
從表中可以看到，這三種低功耗模式層層遞進，運行的時鐘或芯片功能越來越少，因而功耗越來越低。
1. 睡眠模式
在睡眠模式中，僅關閉了內核時鐘，內核停止運行，但其片上外設，CM4核心的外設全都還照常運行。有兩種方式進入睡眠模式，它的進入方式決定了從睡眠喚醒的方式，分別是WFI(wait for interrupt)和WFE(wait for event)，即由等待"中斷"喚醒和由"事件"喚醒。睡眠模式的各種特性見表 424。
表 424 睡眠模式的各種特性
2. 停止模式
在停止模式中，進一步關閉了其它所有的時鐘，于是所有的外設都停止了工作，但由于其1.2V區域的部分電源沒有關閉，還保留了內核的寄存器、內存的信息，所以從停止模式喚醒，并重新開啟時鐘后，還可以從上次停止處繼續執行代碼。停止模式可以由任意一個外部中斷(EXTI)喚醒。在停止模式中可以選擇電壓調節器為開模式或低功耗模式，可選擇內部FLASH工作在正常模式或掉電模式。停止模式的各種特性見表 425。
表 425 停止模式的各種特性
3. 待機模式
待機模式，它除了關閉所有的時鐘，還把1.2V區域的電源也完全關閉了，也就是說，從待機模式喚醒后，由于沒有之前代碼的運行記錄，只能對芯片復位，重新檢測boot條件，從頭開始執行程序。它有四種喚醒方式，分別是WKUP(PA0)引腳的上升沿，RTC鬧鐘事件，NRST引腳的復位和IWDG(獨立看門狗)復位。
表 426 待機模式的各種特性
在以上講解的睡眠模式、停止模式及待機模式中，若備份域電源正常供電，備份域內的RTC都可以正常運行、備份域內的寄存器及備份域內的SRAM數據會被保存，不受功耗模式影響。
42.2 電源管理相關的庫函數及命令
STM32標準庫對電源管理提供了完善的函數及命令，使用它們可以方便地進行控制，本小節對這些內容進行講解。
42.2.1 配置PVD監控功能
PVD可監控VDD的電壓，當它低于閾值時可產生PVD中斷以讓系統進行緊急處理，這個閾值可以直接使用庫函數PWR_PVDLevelConfig配置成前面表 422中說明的閾值等級。
42.2.2 WFI與WFE命令
我們了解到進入各種低功耗模式時都需要調用WFI或WFE命令，它們實質上都是內核指令，在庫文件core_cmInstr.h中把這些指令封裝成了函數，見代碼清單 241。
代碼清單 421 WFI與WFE的指令定義(core_cmInstr.h文件)
1
2 /** brief Wait For Interrupt
3
4 Wait For Interrupt is a hint instruction that suspends execution
5 until one of a number of events occurs.
6 */
7 #define __WFI __wfi
8
9
10 /** brief Wait For Event
11
12 Wait For Event is a hint instruction that permits the processor to enter
13 a low-power state until one of a number of events occurs.
14 */
15 #define __WFE __wfe
對于這兩個指令，我們應用時一般只需要知道，調用它們都能進入低功耗模式，需要使用函數的格式"__WFI();"和"__WFE();"來調用(因為__wfi及__wfe是編譯器內置的函數，函數內部使用調用了相應的匯編指令)。其中WFI指令決定了它需要用中斷喚醒，而WFE則決定了它可用事件來喚醒，關于它們更詳細的區別可查閱《cortex-CM3/CM4權威指南》了解。
42.2.3 進入停止模式
直接調用WFI和WFE指令可以進入睡眠模式，而進入停止模式則還需要在調用指令前設置一些寄存器位，STM32標準庫把這部分的操作封裝到PWR_EnterSTOPMode函數中了，它的定義見代碼清單 402。
代碼清單 422 進入停止模式
1 /**
2 * @brief 進入停止模式
3 *
4 * @note 在停止模式下所有I/O的會保持在停止前的狀態
5 * @note 從停止模式喚醒后，會使用HSI作為時鐘源
6 * @note 調壓器若工作在低功耗模式，可減少功耗，但喚醒時會增加延遲
7 * @param PWR_Regulator: 設置停止模式時調壓器的工作模式
8 * @arg PWR_MainRegulator_ON: 調壓器正常運行
9 * @arg PWR_LowPowerRegulator_ON: 調壓器低功耗運行
10 * @param PWR_STOPEntry: 設置使用WFI還是WFE進入停止模式
11 * @arg PWR_STOPEntry_WFI: WFI進入停止模式
12 * @arg PWR_STOPEntry_WFE: WFE進入停止模式
13 * @retval None
14 */
15 void PWR_EnterSTOPMode(uint32_t PWR_Regulator, uint8_t PWR_STOPEntry)
16 {
17 uint32_t tmpreg = 0;
18
19 /* 設置調壓器的模式 ------------*/
20 tmpreg = PWR->CR;
21 /* 清除 PDDS 及 LPDS 位 */
22 tmpreg &= CR_DS_MASK;
23
24 /* 根據PWR_Regulator 的值(調壓器工作模式)配置LPDS,MRLVDS及LPLVDS位 */
25 tmpreg |= PWR_Regulator;
26
27 /* 寫入參數值到寄存器 */
28 PWR->CR = tmpreg;
29
30 /* 設置內核寄存器的SLEEPDEEP位 */
31 SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
32
33 /* 設置進入停止模式的方式-----------------*/
34 if (PWR_STOPEntry == PWR_STOPEntry_WFI) {
35 /* 需要中斷喚醒*/
36 __WFI();
37 } else {
38 /* 需要事件喚醒 */
39 __WFE();
40 }
41 /* 以下的程序是當重新喚醒時才執行的，清除SLEEPDEEP位的狀態*/
42 SCB->SCR &= (uint32_t)~((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk);
43 }
這個函數有兩個輸入參數，分別用于控制調壓器的模式及選擇使用WFI或WFE停止，代碼中先是根據調壓器的模式配置PWR_CR寄存器，再把內核寄存器的SLEEPDEEP位置1，這樣再調用WFI或WFE命令時，STM32就不是睡眠，而是進入停止模式了。函數結尾處的語句用于復位SLEEPDEEP位的狀態，由于它是在WFI及WFE指令之后的，所以這部分代碼是在STM32被喚醒的時候才會執行。
要注意的是進入停止模式后，STM32的所有I/O都保持在停止前的狀態，而當它被喚醒時，STM32使用HSI作為系統時鐘(16MHz)運行，由于系統時鐘會影響很多外設的工作狀態，所以一般我們在喚醒后會重新開啟HSE，把系統時鐘設置會原來的狀態。
前面提到在停止模式中還可以控制內部FLASH的供電，控制FLASH是進入掉電狀態還是正常供電狀態，這可以使用庫函數PWR_FlashPowerDownCmd配置，它其實只是封裝了一個對FPDS寄存器位操作的語句，見代碼清單 423。這個函數需要在進入停止模式前被調用，即應用時需要把它放在上面的PWR_EnterSTOPMode之前。
代碼清單 423 控制FLASH的供電狀態
1 /**
2 * @brief 設置內部FLASH在停止模式時是否工作在掉電狀態
3 * 掉電狀態可使功耗更低，但喚醒時會增加延遲
4 * @param NewState:
5 ENABLE:FLASH掉電
6 DISABLE:FLASH正常運行
7 * @retval None
8 */
9 void PWR_FlashPowerDownCmd(FunctionalState NewState)
10 {
11 /*配置FPDS寄存器位*/
12 *(__IO uint32_t *) CR_FPDS_BB = (uint32_t)NewState;
13 }
42.2.4 進入待機模式
類似地，STM32標準庫也提供了控制進入待機模式的函數，其定義見代碼清單 403。
代碼清單 424 進入待機模式
1 /**
2 * @brief 進入待機模式
3 * @note 待機模式時，除以下引腳，其余引腳都在高阻態:
4 * -復位引腳
5 * - RTC_AF1 引腳 (PC13) (需要使能侵入檢測、時間戳事件或RTC鬧鐘事件)
6 * - RTC_AF2 引腳 (PI8) (需要使能侵入檢測或時間戳事件)
7 * - WKUP 引腳 (PA0) (需要使能WKUP喚醒功能)
8 * @note 在調用本函數前還需要清除WUF寄存器位
9 * @param None
10 * @retval None
11 */
12 void PWR_EnterSTANDBYMode(void)
13 {
14 /* 選擇待機模式 */
15 PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;
16
17 /* 設置內核寄存器的SLEEPDEEP位 */
18 SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
19
20 /* 存儲操作完畢時才能進入待機模式，使用以下語句確保存儲操作執行完畢 */
21
22 __force_stores();
23
24 /* 等待中斷喚醒 */
25 __WFI();
26 }
該函數中先配置了PDDS寄存器位及SLEEPDEEP寄存器位，接著調用__force_stores函數確保存儲操作完畢后再調用WFI指令，從而進入待機模式。這里值得注意的是，待機模式也可以使用WFE指令進入的，如果您有需要可以自行修改；另外，由于這個函數沒有操作WUF寄存器位，所以在實際應用中，調用本函數前，還需要清空WUF寄存器位才能進入待機模式。
在進入待機模式后，除了被使能了的用于喚醒的I/O，其余I/O都進入高阻態，而從待機模式喚醒后，相當于復位STM32芯片，程序重新從頭開始執行。
42.3 PWR—睡眠模式實驗
在本小節中，我們以實驗的形式講解如何控制STM32進入低功耗睡眠模式。
42.3.1 硬件設計
實驗中的硬件主要使用到了按鍵、LED彩燈以及使用串口輸出調試信息，這些硬件都與前面相應實驗中的一致，涉及到硬件設計的可參考原理圖或前面章節中的內容。
42.3.2 軟件設計
本小節講解的是"PWR—睡眠模式"實驗，請打開配套的代碼工程閱讀理解。
1. 程序設計要點
(1) 初始化用于喚醒的中斷按鍵；
(2) 進入睡眠狀態；
(3) 使用按鍵中斷喚醒芯片；
2. 代碼分析
main函數
睡眠模式的程序比較簡單，我們直接閱讀它的main函數了解執行流程，見代碼清單 242。
代碼清單 425 睡眠模式的main函數(main.c文件)
1
2 /**
3 * @brief 主函數
4 * @param 無
5 * @retval 無
6 */
7 int main(void)
8 {
9
10 LED_GPIO_Config();
11
12 /*初始化USART1*/
13 Debug_USART_Config();
14
15 /* 初始化按鍵為中斷模式，按下中斷后會進入中斷服務函數 */
16 EXTI_Key_Config();
17
18 printf("rn歡迎使用秉火 STM32 F429 開發板。rn");
19 printf("rn秉火F429 睡眠模式例程rn");
20
21 printf("rn實驗說明：rn");
22
23 printf("rn 1.本程序中，綠燈表示STM32正常運行，紅燈表示睡眠狀態，藍燈表示剛從睡眠狀態被喚醒rn");
24 printf("rn 2.程序運行一段時間后自動進入睡眠狀態，在睡眠狀態下，可使用KEY1或KEY2喚醒rn");
25 printf("rn 3.本實驗執行這樣一個循環：rn");
26printf("rn --》亮綠燈(正常運行)->亮紅燈(睡眠模式)->按KEY1或KEY2喚醒->亮藍燈(剛被喚醒)--》rn");
27 printf("rn 4.在睡眠狀態下，DAP下載器無法給STM32下載程序，rn");
28 printf("rn可按KEY1、KEY2喚醒后下載，rn");
29 printf("rn或按復位鍵使芯片處于復位狀態，然后在電腦上點擊下載按鈕，再釋放復位按鍵，即可下載rn");
30
31 while (1) {
32 /*********執行任務***************************/
33 printf("rn STM32正常運行，亮綠燈rn");
34
35 LED_GREEN;
36 Delay(0x3FFFFFF);
37
38 /*****任務執行完畢，進入睡眠降低功耗***********/
39
40
41 printf("rn進入睡眠模式，按KEY1或KEY2按鍵可喚醒rn");
42
43 //使用紅燈指示，進入睡眠狀態
44 LED_RED;
45 //進入睡眠模式
46 __WFI(); //WFI指令進入睡眠
47
48 //等待中斷喚醒 K1或K2按鍵中斷
49
50 /***被喚醒，亮藍燈指示***/
51 LED_BLUE;
52 Delay(0x1FFFFFF);
53
54 printf("rn已退出睡眠模式rn");
55 //繼續執行while循環
56 }
57 }
這個main函數的執行流程見圖 425。
圖 425 睡眠模式實驗流程圖
(1) 程序中首先初始化了LED燈及串口以便用于指示芯片的運行狀態，并且把實驗板上的兩個按鍵都初始化成了中斷模式，以便當系統進入睡眠模式的時候可以通過按鍵來喚醒。這些硬件的初始化過程都跟前面章節中的一模一樣。
(2) 初始化完成后使用LED及串口表示運行狀態，在本實驗中，LED彩燈為綠色時表示正常運行，紅燈時表示睡眠狀態，藍燈時表示剛從睡眠狀態中被喚醒。
(3) 程序執行一段時間后，直接使用WFI指令進入睡眠模式，由于WFI睡眠模式可以使用任意中斷喚醒，所以我們可以使用按鍵中斷喚醒。
(4) 當系統進入停止狀態后，我們按下實驗板上的KEY1或KEY2按鍵，即可使系統回到正常運行的狀態，當執行完中斷服務函數后，會繼續執行WFI指令后的代碼。
中斷服務函數
系統剛被喚醒時會進入中斷服務函數，見代碼清單 243。
代碼清單 426 按鍵中斷的服務函數(stm32f4xx_it.c文件)
1
2 void KEY1_IRQHandler(void)
3 {
4 //確保是否產生了EXTI Line中斷
5 if (EXTI_GetITStatus(KEY1_INT_EXTI_LINE) != RESET) {
6 LED_BLUE;
7 printf("rn KEY1 按鍵中斷喚醒 rn");
8 EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_INT_EXTI_LINE);
9 }
10 }
11
12 void KEY2_IRQHandler(void)
13 {
14 //確保是否產生了EXTI Line中斷
15 if (EXTI_GetITStatus(KEY2_INT_EXTI_LINE) != RESET) {
16 LED_BLUE;
17 printf("rn KEY2 按鍵中斷喚醒 rn");
18 //清除中斷標志位
19 EXTI_ClearITPendingBit(KEY2_INT_EXTI_LINE);
20 }
21 }
用于喚醒睡眠模式的中斷，其中斷服務函數也沒有特殊要求，跟普通的應用一樣。
42.3.3 下載驗證
下載這個實驗測試時，可連接上串口，在電腦端的串口調試助手獲知調試信息。當系統進入睡眠狀態的時候，可以按KEY1或KEY2按鍵喚醒系統。
注意：
當系統處于睡眠模式低功耗狀態時(包括后面講解的停止模式及待機模式)，使用DAP下載器是無法給芯片下載程序的，所以下載程序時要先把系統喚醒。或者使用如下方法：按著板子的復位按鍵，使系統處于復位狀態，然后點擊電腦端的下載按鈕下載程序，這時再釋放復位按鍵，就能正常給板子下載程序了。
42.4 PWR—停止模式實驗
在睡眠模式實驗的基礎上，我們進一步講解如何進入停止模式及喚醒后的狀態恢復。
42.4.1 硬件設計
本實驗中的硬件與睡眠模式中的一致，主要使用到了按鍵、LED彩燈以及使用串口輸出調試信息。
42.4.2 軟件設計
本小節講解的是"PWR—停止模式"實驗，請打開配套的代碼工程閱讀理解。
1. 程序設計要點
(1) 初始化用于喚醒的中斷按鍵；
(2) 設置停止狀態時的FLASH供電或掉電；
(3) 選擇電壓調節器的工作模式并進入停止狀態；
(4) 使用按鍵中斷喚醒芯片；
(5) 重啟HSE時鐘，使系統完全恢復停止前的狀態。
2. 代碼分析
重啟HSE時鐘
與睡眠模式不一樣，系統從停止模式被喚醒時，是使用HSI作為系統時鐘的，在STM32F429中，HSI時鐘一般為16MHz，與我們常用的180MHz相關太遠，它會影響各種外設的工作頻率。所以在系統從停止模式喚醒后，若希望各種外設恢復正常的工作狀態，就要恢復停止模式前使用的系統時鐘，本實驗中定義了一個SYSCLKConfig_STOP函數，用于恢復系統時鐘，它的定義見代碼清單 243。
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