一、综述

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随着物联网终端向电池供电和长续航方向发展，MCU 的待机功耗已成为系统设计的关键指标。本文基于 Renesas RA4L1，对 Sleep、Snooze、Software Standby 三种低功耗模式进行了实验验证，并制作了一个低功耗运行的简易秒表。

下面是三种低功耗模式的简介，参考了FSP用户手册：

1.Sleep Mode|睡眠模式

上电后，默认的低功耗模式即为 Sleep。
该模式使用最方便，不需要额外配置，只需设置可用于唤醒 MCU 的中断或事件，即可在唤醒后回到正常程序执行。在 Sleep 模式中，SRAM、处理器寄存器以及硬件外设的状态都会被保留，进入和退出所需时间极短。任何中断都会使 MCU 从 Sleep 模式唤醒，包括 RTOS 调度器使用的 SysTick 中断。

2.Software Standby Mode|软件待机模式

在 Software Standby 模式下，CPU、片上大多数外设功能以及所有内部振荡器都会停止，但 CPU 寄存器内容、SRAM 数据、外设状态以及 I/O 端口配置都保持不变。由于大多数振荡器停止，该模式可显著降低功耗。与 Sleep 类似，Standby 也必须配置并启用中断或事件才能唤醒。

3.Snooze Mode|贪睡模式

Snooze 模式允许部分 MCU 外设在 MCU 保持低功耗的同时执行基本任务。许多核心外设以及全部时钟都可以选择在 Snooze 中运行，使其相比 Software Standby 拥有更灵活的低功耗配置能力。要启用 Snooze，需要在“Low Power Mode”选项中选择“启用 Snooze 的 Software Standby 模式”。Snooze 的进入/退出条件可在“Standby Options”中配置。

 

三种模式的工作条件及支持的中断源

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查硬件手册表10.2得下表，展示了三种不同低功耗模式下可以使用的外设，已经翻译成中文：

表10.2 每种低功耗模式的工作条件

表 10.3 退出 Snooze / Software Standby 模式的中断源

总而言之，三者的区别简单概括如下：

下面是手册中给出的低功耗系统框图：

 

二、低功耗测试

1.电流测试

按照图示新建低功耗模组：

点击低功耗模组，在Properties里面修改低功耗模式，分别有Sleep Mode，Snooze Mode 和 Software Standby Mode。

  fsp_err_t err = R_LPM_Open(&g_lpm0_ctrl, &g_lpm0_cfg);
   /* Handle any errors. */
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   R_BSP_SoftwareDelay(1000,BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
   err = R_LPM_LowPowerModeEnter(&g_lpm0_ctrl);
   assert(FSP_SUCCESS == err);

 

下面是没有任何外设下测试的结果，测试的是3V3到GND间的电流，由于板上3V3网络连接的串口芯片、电源芯片等的影响，测试效果可能不够准确：

非低功耗模式下的电流：21.7mA

Sleep模式下的电流：17.0mA

snooze模式下的电流：17.8mA

Software Standby模式下的电流：13.0mA

根据官方介绍，RA4L1 mcu采用专有的低功耗技术，在保留所有SRAM的情况下，可提供168 μ A/MHz的有源模式@ 80 MHz，待机电流仅为1.70 μ A。测试结果差别较大，因为不完全是单纯对芯片的测试，在板上直接测量无法排除其他硬件的干扰。即便如此，测试得到的功耗最低也只有40mW，可见该芯片的功耗之低。

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三、做一个具有低功耗特性的小秒表

1.时钟：

内部时钟HOCO和LOCO的精度都不高，如果是对始终精度高、并且不太要求低功耗的应用场合，建议使用外部时钟；在这里，为了满足低功耗的需求，我们直接使用HOCO和LOCO作为时钟源；

• 禁用外部晶振和锁相环，使用HOCO作为高频时钟；

2.按键外部中断：

开启定时和停止定时的按键，板上按键为P000和P001；

添加外部中断引脚，P000对应通道6，P001对应通道7，二选一即可；

添加中断模组，设置通道和回调函数名称等属性；

• IRQ6（P000）的配置：

 

• IRQ7（P001）的配置：

 

3.SLCDC液晶显示屏的配置

具体可以参考我之前写的文章

• SLCDC模组的配置：

 

SLCDC管脚的配置：

4.AGT低功耗定时器的配置：

注意到Software Standby模式只响应AGT1通道的中断信号，所以我们必须把时钟通道配置为1；

5.低功耗模式配置

配置为Software Standby模式；

配置低功耗模式下的中断源，若不配置会导致无法进入中断；

6.代码实现

LCD的驱动使用我前面实现的查表函数文件，具体查看文章的代码示例4：

这边可以直接复制到文件目录下，新建一个文件夹BSP，同时在Keil中加入此文件和目录：

文件前面包含该头文件：

#include "segment_LCD_4c_disp.h"

变量声明

定义要用到的LCD位数，因为只实现分钟和秒钟，所以只用到前4位；同时声明一个uint8_t类型的数组，用于临时存放要显示的数字：

#define TRANSFER_LENGTH 4
uint8_t num_array[4]={0};

外部中断响应状态标志位，此处按第一下开始计时，状态量值为true，再按一下取反，状态量值为false：

bool g_external_irq_complete = false;

用于计算进入中断次数的变量：

uint16_t Time_Count = 0;

AGT低功耗定时器中断状态标志位：

volatile bool agt_flag = 0;//AGT延时1s标志位

循环用的变量i：

uint8_t i = 0;

定义一个结构体，存放分钟和秒钟：

typedef struct
{
   uint8_t minute;
   uint8_t second;
} time_ms_t;

 

函数定义

用于将定时器计时值转化为分、秒的函数：

time_ms_t convert_time(uint16_t total_seconds)
{
   time_ms_t t;
   t.minute = total_seconds / 60;   // 分钟
   t.second = total_seconds % 60;   // 秒
   return t;
}

用于将定时器计时值转化为显示缓冲区每一位的值的函数，封装了convert_time()：

void update_num_array(uint16_t total_seconds)
{
   time_ms_t t = convert_time(total_seconds);
   uint8_t min_tens  = t.minute / 10;
   uint8_t min_ones  = t.minute % 10;
   uint8_t sec_tens  = t.second / 10;
   uint8_t sec_ones  = t.second % 10;
   num_array[0] = min_tens;
   num_array[1] = min_ones;
   num_array[2] = sec_tens;
   num_array[3] = sec_ones;
}

外部中断回调函数，这边根据各自配置的IRQ通道和回调函数编写，IRQ6和IRQ7只需要选一种：

//外部中断回调函数，标志位逻辑不是置1/清零，而是取反：用于主函数中判断，最开始是0，第一次按下的时候是1，当按下第二次的时候取反为0，循环往复，起到一个第一次按下开始计时，第二次按下停止计时、显示数据的效果
void external_irq6_callback (external_irq_callback_args_t * p_args)
{
   (void) p_args;
   g_external_irq_complete = !g_external_irq_complete;
}
void external_irq7_callback (external_irq_callback_args_t * p_args)
{
   (void) p_args;
   g_external_irq_complete = !g_external_irq_complete;
}

AGT回调函数，事件标志是TIMER_EVENT_CYCLE_END，当然此处可不判断，当有多种AGT中断事件时可以加入；

//AGT回调函数
void agt_callback(timer_callback_args_t *p_args)
{
   //AGT定时中断的标志是TIMER_EVENT_CYCLE_END
   if(p_args->event == TIMER_EVENT_CYCLE_END)
       agt_flag=1;
}

 

hal_entry()主函数

主循环前的初始化：

fsp_err_t err;
   //打开外部中断
   err = R_ICU_ExternalIrqOpen(&g_external_irq6_ctrl, &g_external_irq6_cfg);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   err = R_ICU_ExternalIrqOpen(&g_external_irq7_ctrl, &g_external_irq7_cfg);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   err = R_ICU_ExternalIrqEnable(&g_external_irq6_ctrl);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   err = R_ICU_ExternalIrqEnable(&g_external_irq7_ctrl);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   
   //打开AGT
   err = R_AGT_Open(&g_timer1_ctrl, &g_timer1_cfg);
   assert(FSP_SUCCESS == err);  
   err = R_AGT_Enable(&g_timer1_ctrl);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
 
   //打开SLCDC
   err = R_SLCDC_Open(&g_slcdc0_ctrl, &g_slcdc0_cfg);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   err = R_SLCDC_Start(&g_slcdc0_ctrl);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   
   //显示全0
    for(i=1;i<=TRANSFER_LENGTH;i++){
       R_SLCDC_Modify(&g_slcdc0_ctrl,get_seg_pos(i)[0],get_seg_num(num_array[i-1])[0],0xFF);
       R_SLCDC_Modify(&g_slcdc0_ctrl,get_seg_pos(i)[1],get_seg_num(num_array[i-1])[1],0xFF);
   }
   
   //打开低功耗模式
   err = R_LPM_Open(&g_lpm0_ctrl, &g_lpm0_cfg);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
   //err = R_LPM_LowPowerRecondiv(&g_lpm0_ctrl, &g_lpm0_cfg);
  // assert(FSP_SUCCESS == err);
   err = R_LPM_LowPowerModeEnter(&g_lpm0_ctrl);
   assert(FSP_SUCCESS == err);

主循环：

    while(1){
      if(g_external_irq_complete == true)//判断是否是第一次/奇数次按下，标志位不清零，当按下第二次的时候清零
      {
         if (Time_Count == 0)//判断是否是刚开始按下，还未计时
        {
            err = R_AGT_Start(&g_timer1_ctrl);//打开定时器
            assert(FSP_SUCCESS == err);
        }
        if(agt_flag == 1)//判断是定时器中断
         {
          agt_flag = 0;
          
        //转换Time_Count 并显示
          update_num_array(Time_Count);
          
 for(i=1;i<=TRANSFER_LENGTH;i++)
    {
        R_SLCDC_Modify(&g_slcdc0_ctrl,
                        get_seg_pos(i)[0],
                        get_seg_num(num_array[i-1])[0],
                        0xFF);

        R_SLCDC_Modify(&g_slcdc0_ctrl,
                        get_seg_pos(i)[1],
                        get_seg_num(num_array[i-1])[1],
                        0xFF);
    }
          //显示点并闪烁，一秒钟切换一次
          //也可以把定时值设置为500ms，一秒闪烁一次，其他地方按照相应的逻辑改动
          switch (Time_Count%2){
            case 0:
                R_SLCDC_Modify(&g_slcdc0_ctrl,16,0x00,0x08);
              break;
            case 1:
                R_SLCDC_Modify(&g_slcdc0_ctrl,16,0x08,0x08);
              break;
            }
          Time_Count ++; //增加计数值
        }
      
      }
      
      else{ //第二次/双数次按下，表示停止
        err = R_AGT_Stop(&g_timer1_ctrl); //停止定时器
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        R_SLCDC_Modify(&g_slcdc0_ctrl,16,0x08,0x08);
 //显示点
        Time_Count = 0;
      }
      
    err = R_LPM_LowPowerModeEnter(&g_lpm0_ctrl);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
      
    }

实验结果：

可以看到板上电流在13.1mA左右，如果不是低功耗模式，电流应该在20mA以上。

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⚠问题附录：

Software Standby低功耗模式下的程序下载之后，想要再次下载新的程序，J-Link会报错？

因为Software Standby模式会禁用所有GPIO的功能，所以要再次下载程序，需要把BOOT跳线帽从原本连接3V3改到连接GND，进入BootLoader模式，按下RESET按键重置一下，并使用串口下载。

串口下载需要使用Renesas Flash Programmer ：

点击后进入发布页面，下载适合自己系统的压缩包；

安装后打开软件，新建下载工程，工具配置为COM口：

切换到Operation Settings，Command设置为Erase就好，我暂时只用串口方式来擦除闪存：

将串口连接到电脑，BOOT连接到GND，按下RESET；

电脑上Renesas Flash Programmer切换回Operation页面，点击Start，等待擦除成功，后续即可重新用J-Link下载程序。