STM32L4移植 rt-thread PM组件详解

一、STM32L4 的低功耗模式简介

STM32L4 系列微控制器专为低功耗应用设计，提供多种低功耗模式以满足不同应用场景的需求。主要模式包括运行模式、低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式、低功耗停止模式和待机模式。

运行模式（Run Mode）

在运行模式下，所有外设和内核正常工作，功耗相对较高。通过动态电压调节（DVC）和频率调节（如 MSI、HSI、HSE）可优化功耗。典型电流消耗为 100 µA/MHz（CoreMark 测试）。

低功耗运行模式（Low Power Run Mode）

此模式下，CPU 以较低频率运行（通常为 2 MHz），部分外设关闭，电压调节器处于低功耗状态。典型电流消耗为 30 µA/MHz，适用于需要实时响应但功耗敏感的场景。

睡眠模式（Sleep Mode）

CPU 停止运行，但外设和时钟保持活动状态。可通过中断或事件唤醒。典型电流消耗为 10 µA/MHz（外设活动时）。

低功耗睡眠模式（Low Power Sleep Mode）

与睡眠模式类似，但电压调节器切换到低功耗状态，进一步降低功耗。典型电流消耗为 5 µA/MHz。

停止模式（Stop Mode）

内核和大部分外设时钟关闭，仅保留部分关键外设（如 RTC、LCD）活动。唤醒时间较短（约 5 µs）。典型电流消耗为 1 µA（保留 SRAM）。

低功耗停止模式（Low Power Stop Mode）

电压调节器关闭，仅保持极低功耗状态。SRAM 内容可保留，唤醒时间稍长（约 10 µs）。典型电流消耗为 0.5 µA。

待机模式（Standby Mode）

最低功耗模式，仅备份域（如 RTC、备份寄存器）保持供电。SRAM 和寄存器内容丢失，唤醒需复位。典型电流消耗为 0.1 µA（无 RTC）。

下面是各个模式之间的状态转换图：

二、影响系统功耗的因素

尽管 STM32L476 的低功耗模式很多，但本质上并不复杂，理解它的原理有助于我们移植驱动，同时更好的在产品中选择合适的模式。
最终决定 STM32L476 系统功耗的主要是三个因素：稳压器（voltage regulator）、CPU 工作频率、芯片自身低功耗的处理，下面分别对三个因素进行阐述。

1、稳压器

L4 使用两个嵌入式线性稳压器为所有数字电路、待机电路以及备份时钟域供电，分别是主稳压器（main regulator，下文简称 MR）和低功耗稳压器（low-power regulator，下文简称 LPR）。稳压器在复位后处于使能状态，根据应用模式，选择不同的稳压器对 Vcore 域供电。其中，MR 的输出电压可以由软件配置为不同的范围（Range 1 和 Rnage 2）。

2、CPU 工作频率

通过降低 CPU 的主频达到降低功耗的目的： MR 工作在 Range 1 正常模式时，SYSCLK 最高可以工作在 80M； MR 工作在 Range 2 时，SYSCLK 最高不能超过 26 M； 低功耗运行模式和低功耗休眠模式，即 Vcore 域由 LPR 供电，SYSCLK 必须小于 2M。

3、芯片本身的低功耗处理

芯片本身定义了一系列的休眠模式，如 Sleeep、Stop、Standby 和 Shutdown，前面的四种模式功耗逐渐降低，实质是芯片内部通过关闭外设和时钟来实现。

三、移植的具体实现

    上文简要说明 STM32 的低功耗模式和工作原理，下面介绍 RT-Thread PM 的功能和移植接口。
    RT-Thread 低功耗管理系统从设计上分离运行模式和休眠模式，独立管理，运行模式用于变频和变电压，休眠调用芯片的休眠特性。对于多数芯片和开发来说，可能并不需要考虑变频和变电压，仅需关注休眠模式。
    STM32 L4 系列的芯片有运行模式和低功耗运行模式的概念，同时 MR 还有 Range 2 模式，可用于变频场景。
    PM 组件的底层功能都是通过struct rt_pm_ops结构体里的函数完成：

/**
* low power mode operations
*/
struct rt_pm_ops
{
void (*sleep)(struct rt_pm *pm, uint8_t mode);
void (*run)(struct rt_pm *pm, uint8_t mode);
void (*timer_start)(struct rt_pm *pm, rt_uint32_t timeout);
void (*timer_stop)(struct rt_pm *pm);
rt_tick_t (*timer_get_tick)(struct rt_pm *pm);
};

1、配置工程

开启 Env 工具，进入潘多拉开发板的 BSP 目录（rt-thread\\bsp\\stm32\\stm32l475-atk-pandora），在 Env 命令行里输入 menuconfig 进入配置界面配置工程。
配置 PM 组件：勾选 BSP 里面的RT-Thread Components —> Device Drivers —> [*] Using Power Management device drivers：

配置内核选项：使用 PM 组件需要更大的 IDLE 线程的栈，这里使用了1024 字节。例程里还使用 Software timer，所以我们还需要开启相应的配置

配置完成，保存并退出配置选项，输入命令scons –target=mdk5生成 mdk5 工程；

2、移植休眠模式

移植休眠模式仅需关注 sleep 接口，根据 PM 用户手册相关介绍，首先将 RT-Thread 的休眠模式和 STM32 的模式作一个转换：

下面是具体实现：

#include <board.h>
#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>

static void sleep(struct rt_pm *pm, uint8_t mode)
{
switch (mode)
{
case PM_SLEEP_MODE_NONE:
break;

case PM_SLEEP_MODE_IDLE:
// __WFI();
break;

case PM_SLEEP_MODE_LIGHT:
/* Enter SLEEP Mode, Main regulator is ON */
HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
break;

case PM_SLEEP_MODE_DEEP:
/* Enter STOP 2 mode */
HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);
break;

case PM_SLEEP_MODE_STANDBY:
/* Enter STANDBY mode */
HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
break;

case PM_SLEEP_MODE_SHUTDOWN:
/* Enter SHUTDOWNN mode */
HAL_PWREx_EnterSHUTDOWNMode();
break;

default:
RT_ASSERT(0);
break;
}
}

int rt_hw_pm_init(void)
{
static const struct rt_pm_ops _ops =
{
sleep,
RT_NULL,
RT_NULL,
RT_NULL,
RT_NULL
};

rt_uint8_t timer_mask = 0;

/* Enable Power Clock */
__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();

/* initialize system pm module */
rt_system_pm_init(&_ops, timer_mask, RT_NULL);

return 0;
}

INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_pm_init);

目前为止，ST 的休眠模式已经初步加入了，能够满足部分的应用场景。打开命令行，输入请求/释放休眠模式命令，可以观察到功耗显著降低。

3、移植时间补偿接口

某些情况下，我们可能需要系统在空闲时进入 Stop 模式，以达到更低的将功耗效果。L476 Stop 2 模式下的电流可以达到 1.6 uA 左右，ST 手册上对 Stop2 模式的描述如下：

Stop 2 模式基于 Cortex-M4 深度睡眠模式与外设时钟门控。在 Stop 2 模式下， Vcore 域中的所有时钟都会停止， PLL、 MSI、 HSI16 和 HSE 振荡器也被禁止。一些带有唤醒功能（I2C3 和 LPUART）的外设可以开启 HSI16 以获取帧，如果该帧不是唤醒帧，也可以在接收到帧后关闭 HSI16。SRAM1、 SRAM2、 SRAM3 和寄存器内容将保留，所有 I/O 引脚的状态与运行模式下相同。

根据手册可知，Stop 2 模式会关闭系统时钟，当前的 OS Tick 基于内核的 Systick 定时器。那么在系统时钟停止后，OS Tick 也会停止，对于某些依赖 OS Tick 的应用，在进入 Stop 2 模式，又被中断唤醒后，就会出现问题，因此需要在系统唤醒后，对 OS Tick 进行补偿。Stop 2 模式下，绝大多数外设都停止工作，仅低功耗定时器 1（LP_TIM1）选择 LSI 作为时钟源后，仍然能正常运行，所以选择 LP_TIM1 作为 Stop 2 模式的时间补偿定时器。

休眠的时间补偿需要实现三个接口，分别用于启动低功耗定时器、停止定时器、唤醒后获取休眠的 Tick，下面是具体的实现：

static void pm_timer_start(struct rt_pm *pm, rt_uint32_t timeout)
{
RT_ASSERT(pm != RT_NULL);
RT_ASSERT(timeout > 0);

/**
* 当超时为 RT_TICK_MAX 时，表明系统此时没有依赖 OS Tick 的应用，
* 因此不启动低功耗定时器，避免超时唤醒而增加系统功耗
*/
if (timeout != RT_TICK_MAX)
{
/* Convert OS Tick to pmtimer timeout value */
timeout = stm32l4_pm_tick_from_os_tick(timeout);
if (timeout > stm32l4_lptim_get_tick_max())
{
timeout = stm32l4_lptim_get_tick_max();
}

/* Enter PM_TIMER_MODE */
stm32l4_lptim_start(timeout);
}
}

static void pm_timer_stop(struct rt_pm *pm)
{
RT_ASSERT(pm != RT_NULL);

/* Reset pmtimer status */
stm32l4_lptim_stop();
}

static rt_tick_t pm_timer_get_tick(struct rt_pm *pm)
{
rt_uint32_t timer_tick;

RT_ASSERT(pm != RT_NULL);

timer_tick = stm32l4_lptim_get_current_tick();

return stm32l4_os_tick_from_pm_tick(timer_tick);
}

int rt_hw_pm_init(void)
{
static const struct rt_pm_ops _ops =
{
sleep,
RT_NULL,
pm_timer_start,
pm_timer_stop,
pm_timer_get_tick
};

rt_uint8_t timer_mask = 0;

/* Enable Power Clock */
__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();

/* initialize timer mask */
timer_mask = 1UL << PM_SLEEP_MODE_DEEP;

/* initialize system pm module */
rt_system_pm_init(&_ops, timer_mask, RT_NULL);

return 0;
}

休眠时间补偿的移植相对并不复杂，根据 Tick 配置低功耗定时器超时，唤醒后获取实际休眠时间并转换为OS Tick，告知 PM 组件即可。另外，从 Stop 2 模式唤醒后，默认会切换到内部的 MSI 时钟，通常需要重新配置时钟树。

4、移植运行模式

STM32L476 的运行模式移植主要是通过改变CPU 频率 和 稳压器，让其工作在 MR Range 2 或者 LP_RUN 模式，两个模式切换都会触发 CPU 频率改变的操作，这是一个比较危险的操作。

/*
* Copyright (c) 2006-2021, RT-Thread Development Team
*
* SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
*
* Change Logs:
* Date Author Notes
* 2019-02-05 gw first version
* 2019-05-05 Zero-Free Adding multiple configurations for system clock frequency
*/

#include <board.h>
#include <rtconfig.h>
#include <drv_common.h>

void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

#ifdef BSP_USING_ONCHIP_RTC
/**Configure LSE Drive Capability
*/
HAL_PWR_EnableBkUpAccess();
__HAL_RCC_LSEDRIVE_CONFIG(RCC_LSEDRIVE_LOW);
#endif
/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 10;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV7;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
| RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART2;
PeriphClkInit.Usart2ClockSelection = RCC_USART2CLKSOURCE_PCLK1;
if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/**Configure the main internal regulator output voltage
*/
if (HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

#ifdef RT_USING_PM

void SystemClock_MSI_ON(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

/* Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_MSI;
RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
RT_ASSERT(0);
}

RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_MSI;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

void SystemClock_MSI_OFF(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};

RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_MSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_MSI_OFF;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE; /* No update on PLL */
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

void SystemClock_80M(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;

/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = 16;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 10;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV7;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
| RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

void SystemClock_24M(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit;

/** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = 16;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 12;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV7;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV8;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
| RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART2;
PeriphClkInit.Usart2ClockSelection = RCC_USART2CLKSOURCE_PCLK1;
if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

void SystemClock_2M(void)
{
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};

/* MSI is enabled after System reset, update MSI to 2Mhz (RCC_MSIRANGE_5) */
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_MSI;
RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON;
RCC_OscInitStruct.MSIClockRange = RCC_MSIRANGE_5;
RCC_OscInitStruct.MSICalibrationValue = RCC_MSICALIBRATION_DEFAULT;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
/* Initialization Error */
Error_Handler();
}

/* Select MSI as system clock source and configure the HCLK, PCLK1 and PCLK2
clocks dividers */
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_MSI;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
{
/* Initialization Error */
Error_Handler();
}
}

/**
* @brief Configures system clock after wake-up from STOP: enable HSI, PLL
* and select PLL as system clock source.
* @param None
* @retval None
*/
void SystemClock_ReConfig(uint8_t mode)
{
SystemClock_MSI_ON();

switch (mode)
{
case PM_RUN_MODE_HIGH_SPEED:
case PM_RUN_MODE_NORMAL_SPEED:
SystemClock_80M();
break;
case PM_RUN_MODE_MEDIUM_SPEED:
SystemClock_24M();
break;
case PM_RUN_MODE_LOW_SPEED:
SystemClock_2M();
break;
default:
break;
}

// SystemClock_MSI_OFF();
}

#endif

按下复位按键重启开发板，打开终端软件，我们可以看到有定时输出日志：

\\ | /
– RT – Thread Operating System
/ | \\ 4.0.1 build May 9 2019
2006 – 2019 Copyright by rt–thread team
msh >current tick: 2001
current tick: 4002
current tick: 6003
current tick: 8004

我们可以在msh里输入pm_dump命令观察PM组件的模式状态：

pm_dump
| Power Management Mode | Counter | Timer |
+———————————–+————–+———–+
| None Mode | 0 | 0 |
| Idle Mode | 1 | 0 |
| LightSleep Mode | 1 | 0 |
| DeepSleep Mode | 1 | 1 |
| Standby Mode | 0 | 0 |
| Shutdown Mode | 0 | 0 |
+———————————–+————–+———–+
pm current sleep mode: Idle Mode
pm current run mode: Normal Speed
msh >

以上的输出说明，PM 组件里 Idle、Light Sleep、Deep Sleep 都被请求了一次，现在正处于空闲模式（Idle Mode）。

我们依次输入命令pm_release 1和pm_release 2 手动释放 Idle 和 Light Sleep 模式后，将进入Deep Sleep Mode。进入Deep Sleep Mode之后会定时唤醒，shell 还是一直在输出：

msh />pm_release 1
msh />
msh />current tick: 8023
current tick: 10024
current tick: 12025

msh />pm_release 2
msh />
msh />current tick: 14026
current tick: 16027
current tick: 18028
current tick: 20029
current tick: 22030
current tick: 24031

我们可以通过功耗仪器观察功耗的变化。下图是基于 Monsoon Solutions Inc 的 Power Monitor 的运行截图，可以看到随着模式变化，功耗明显变化：