BlueNRG-1 的低功耗模式浅析

cruelfox

BlueNRG-1 的低功耗模式浅析 [复制链接]

 

STEVAL-IDB007V1 玩到现在，基本上对它的低功耗模式了解了。这个SoC和STM32在低功耗模式方便的差异还是很大的。下面这个图是BlueNRG-1手册中的“状态”描述，左边三列都属于低功耗的模式。

注意，这里的 "SLEEP" 和一般ARM Cortex-m0 MCU所指的 SLEEP 模式含义不同。比如 STM32 的 SLEEP 是只把 CPU 停止（通过WFI/WFE指令），片上AHB和设备都继续运行。对于 BlueNRG-1，与之对应的模式则是软件层面上的 CPU_HALT，如下图。

熟悉 STM32 的朋友应该记得 STM32 的低功耗模式有 Sleep, Stop, Standby 这些，可以控制开启或关闭的部件要比 BlueNRG-1 丰富得多。只停止CPU的低功耗模式也只是节省ARM核心的部分功耗，对要求电池运行的这类系统是不够省电的。要进一步，需要降低CPU、总线的时钟频率，甚至关闭AHB时钟，依靠RTC等低功耗定时器来实现唤醒。

BlueNRG-1 在低功耗方面的选择明显不多。从手册上可以明确的是进一步省电，就必须关闭主时钟，关闭片上部分LDO，剩下极少部分的功能能运行。下面表格中，STANDBY 和 SLEEP 这两个模式的区别，也就是是否 32kHz 的时钟继续运行了。如果有 32kHz 时钟在，可以实现定时的唤醒操作，比如定时访问网络，这必须得支持。 从功耗上面可以大致看出来：

对上面这张表再补充一句：Reset 是最低功耗的模式，这和 STM32 也不一样。对于 BlueNRG-1, 把 Reset 接低它就彻底关闭了，相当于电源开关。

知道了有哪些低功耗模式，接下来需要知道如何进入低功耗模式，以及如何唤醒。
(1) 对于只停止CPU的模式，和一般的ARM单片机一样，BlueNRG-1 也是用 WFI 指令来休眠的，然后 CPU 就 Idle 了，等到中断来了再接着干活。
(2) 对于 Standy 和 Sleep 模式，BlueNRG-1 的手册上则没有说如硬件上是何进入的，写什么寄存器。在软件部分，说了是统一调用 BlueNRG_Sleep() 函数来实现。我对这样“语焉不详”的手册不是很喜欢，回想来也是，BLE部分库的代码都没开放，寄存器定义不开放也是意料之中的。用户如果自己随便操作，把MCU进入低功耗模式了，可能BLE部分就没法工作了。

好吧，先看看唤醒源有哪些。 出乎意料的，RTC居然不能在 Sleep 模式下工作和唤醒，尽管32kHz的时钟在。Watchdog 呢？说是如果有32k时钟可以运行的，但没说唤醒如何。GPIO用来唤醒，这个有，哪怕时钟都关掉了。
手册上透露出来的技术细节是意外的：这几个唤醒并不是接着 WFI 指令之后恢复，继续执行，尽管RAM的内容都在——而是系统 Reset 了，从Reset中断向量开始执行。另外，还有两个手册中完全没有描述的 BLE Timer1, BLE Timer2 可以唤醒，这才是低功耗运行蓝牙协议栈的基础。那么，唤醒之后都Reset岂不是重头再来了？ 也不是，因为SRAM的内容是保持的，虽然所有硬件寄存器都复位了，除了个别的，比如判断Reset的原因是什么的寄存器。


似乎有意思了，依靠寄存器判断复位源，然后从RAM中去恢复进入低功耗模式之前的现场……  不过还是比较复杂啊。

下面从分析 sleep.c 中 BlueNRG_Sleep() 函数的实现入手

1. uint8_t BlueNRG_Sleep(SleepModes sleepMode,
   
2.                       uint8_t gpioWakeBitMask,
   
3.                       uint8_t gpioWakeLevelMask)
   
4. {
   
5.   SleepModes app_sleepMode, ble_sleepMode, sleepMode_allowed;
   
6.   
   
7.   /* Mask all the interrupt */
   
8.   __disable_irq();
   
9. 
   
10.   ble_sleepMode = (SleepModes)BlueNRG_Stack_Perform_Deep_Sleep_Check();
    
11.   app_sleepMode = App_SleepMode_Check(sleepMode);
    
12.   sleepMode_allowed = MIN(app_sleepMode, sleepMode);
    
13.   sleepMode_allowed = MIN(ble_sleepMode, sleepMode_allowed);
    
14. 
    
15. #ifdef DEBUG_SLEEP_MODE
    
16.   sleepMode_selected[sleepMode_allowed]++;
    
17. #endif
    
18. 
    
19.   if (sleepMode_allowed == SLEEPMODE_RUNNING) {
    
20.     /* Unmask all the interrupt */
    
21.     __enable_irq();
    
22.      return SUCCESS;
    
23.   }
    
24.   
    
25.   if (sleepMode_allowed == SLEEPMODE_CPU_HALT) {
    
26.     BlueNRG_IdleSleep();
    
27.     /* Unmask all the interrupt */
    
28.     __enable_irq();
    
29.     return SUCCESS;
    
30.   }
    
31. 
    
32.   /* Setup the Wakeup Source */
    
33.   SYSTEM_CTRL->WKP_IO_IS = gpioWakeLevelMask;
    
34.   SYSTEM_CTRL->WKP_IO_IE = gpioWakeBitMask;
    
35. 
    
36.   BlueNRG_InternalSleep(sleepMode_allowed, gpioWakeBitMask);
    
37.   
    
38.   return SUCCESS;
    
39. }

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这函数里面，先是分别调用 BlueNRG_Stack_Perform_Deep_Sleep_Check() 和 App_SleepMode_Check(sleepMode) 来检查参数 sleepMode 指定的模式是否满足请求，比如 BLE stack 现在不允许 SLEEPMODE_NOTIMER 级别, 那么调用参数给 SLEEPMODE_NOTIMER 是达不到效果的。也就是说想用 BlueNRG_Sleep() 进入深度的休眠，未必实际就是深度休眠，它要询问软件其它部分是否可以（比如为了响应中断）。

当决定了实际的 sleepMode 之后，分情况处理了。如果是 RUNNING，则什么不做返回。如果是 CPU_HALT，则执行一下 WFI 指令。这里调用了 context_switch.s 中实现的 BlueNRG_IdleSleep() 函数，实际上就是执行 WFI 指令再返回而已。但是，我到现在都没明白为什么是先关了中断再执行WFI，再打开中断。中断关闭了WFI能退出休眠？

为了更低功耗的 Sleep 和 Standby 模式，后面要调用特殊函数 BlueNRG_InternalSleep() 来处理了。在这之前，要指定唤醒用的 GPIO.

BlueNRG_InternalSleep() 这个函数比较长，这里不全部贴出来了。在前面部分，把许多设备寄存器内容保存到局部变量中，如

1.   /* Save the peripherals configuration */
   
2.   /* System Control */
   
3.   SYS_Ctrl_saved = SYSTEM_CTRL->CTRL;
   
4.   /* FLASH CONFIG */
   
5.   FLASH_CONFIG_saved = FLASH->CONFIG;
   
6.   /* NVIC */
   
7.   NVIC_ISER_saved = NVIC->ISER[0];
   
8. 
   
9.   // Issue with Atollic compiler
   
10. //  memcpy(NVIC_IPR_saved, (void const *)NVIC->IP, sizeof(NVIC_IPR_saved));
    
11.   for (i=0; i<8; i++) {
    
12.           NVIC_IPR_saved[i] = NVIC->IP[i];
    
13.   }
    
14. 
    
15. 
    
16.   PENDSV_SYSTICK_IPR_saved = *(volatile uint32_t *)SHPR3_REG;
    
17.   /* CKGEN SOC Enabled */
    
18.   CLOCK_EN_saved = CKGEN_SOC->CLOCK_EN;
    
19.   /* GPIO */
    
20.   GPIO_DATA_saved = GPIO->DATA;
    
21.   GPIO_OEN_saved = GPIO->OEN;
    
22.   GPIO_PE_saved = GPIO->PE;
    
23.   GPIO_DS_saved = GPIO->DS;
    

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哎呀，几乎是想得到的寄存器都保存了，就是给硬件复位准备的。

Sleep 和 Standby 模式的区别在这里：

1.   // Enable the STANDBY mode
   
2.   if (sleepMode == SLEEPMODE_NOTIMER) {
   
3.     BLUE_CTRL->TIMEOUT |= LOW_POWER_STANDBY<<28;
   
4.   }
   

复制代码

然后，就是进入低功耗模式了

1. //Enable deep sleep
   
2.   SystemSleepCmd(ENABLE);
   
3.   wakeupFromSleepFlag = 0; // Flag to signal if a wakeup from standby or sleep occurred
   
4.   //The __disable_irq() used at the beginning of the BlueNRG_Sleep() function
   
5.   //masks all the interrupts. The interrupts will be enabled at the end of the
   
6.   //context restore. Now induce a context save.
   
7.   void CS_contextSave(void);
   
8.   CS_contextSave();
   

复制代码

关键在于 CS_contextSave() 的实现，它是 context_switch.s 的汇编程序。

1. EXPORT_FUNC(CS_contextSave)
   
2.                  PUSH   { r4 - r7, lr }       /* store R4-R7 and LR (5 words) onto the stack */
   
3.                  MOV    R3, R8                /* mov thread {r8 - r12} to {r3 - r7} */
   
4.                  MOV    R4, R9
   
5.                  MOV    R5, R10
   
6.                  MOV    R6, R11        
   
7.                  MOV    R7, R12        
   
8.                  PUSH   {R3-R7}                 /* store R8-R12 (5 words) onto the stack */
   
9.                  LDR    R4, =savedMSP           /* load address of savedMSP into R4 */
   
10.                  MOV    R3, SP                  /* load the stack pointer into R3 */
    
11.                  STR    R3, [R4]                /* store the MSP into savedMSP */
    
12.                                  
    
13.                  LDR    R4, =0xE000ED04         /* load address of ICSR register into R4 */
    
14.                  LDR    R0, [R4]                /* load the ICSR register value into R0 */
    
15.                  LDR    R4, =savedICSR          /* load address of savedICSR into R4 */
    
16.                  STR    R0, [R4]                /* store the ICSR register value into savedICSR */
    
17. 
    
18.                  LDR    R4, =0xE000ED24         /* load address of SHCSR register into R4 */
    
19.                  LDR    R0, [R4]                /* load the SHCSR register value into R0 */
    
20.                  LDR    R4, =savedSHCSR         /* load address of savedSHCSR into R4 */
    
21.                  STR    R0, [R4]                /* store the SHCSR register value into savedSHCSR */
    
22. 
    
23.                  LDR    R4, =0xE000E200         /* load address of NVIC_ISPR register into R4 */
    
24.                  LDR    R0, [R4]                /* load the NVIC_ISPR register value into R0 */
    
25.                  LDR    R4, =savedNVIC_ISPR     /* load address of savedNVIC_ISPR into R4 */
    
26.                  STR    R0, [R4]                /* store the NVIC_ISPR register value into savedNVIC_ISPR */
    
27.                  
    
28.                  DSB
    
29.                  WFI                          /* all saved, trigger deep sleep */
    
30.                  ENDFUNC                 
    

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它把几个通用寄存器和几个Cortex-m0的系统寄存器内容保存在RAM中，然后用 WFI 来进入深度休眠。在这之前，SystemSleepCmd(ENABLE) 实际上就是写 SCB->SCR 中的 SLEEPDEEP 位。如果成功的话，BlueNRG-1 将进入 Standby 或 Sleep 模式。


注意，唤醒之后可不是立即执行 那条 WFI 后面的指令. CPU复位，执行bootloader程序，如同我在 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-609649-1-1.html 帖子中的分析。这次细看 Reset Handler 首先调用的 __low_level_init()，到底做了什么？

1. int __low_level_init(void)
   
2. {
   
3.   // If the reset reason is a wakeup from sleep restore the context
   
4.   if ((CKGEN_SOC->REASON_RST == 0) && (CKGEN_BLE->REASON_RST > RESET_WAKE_DEEPSLEEP_REASONS)) {
   
5. 
   
6.   void CS_contextRestore(void);
   
7.   wakeupFromSleepFlag = 1; //A wakeup from Standby or Sleep occurred
   
8.   CS_contextRestore(); // Restore the context
   
9.   //if the context restore worked properly, we should never return here
   
10.   while(1) { ; }
    
11. }
    
12.   return 1;
    
13. }

复制代码

好的，判断复位的原因，如果是低功耗休眠唤醒的话，就执行 CS_contextRestore()

1. EXPORT_FUNC(CS_contextRestore)
   
2.                 /* Even if we fall through the WFI instruction, we will immediately
   
3.                  * execute a context restore and end up where we left off with no
   
4.                  * ill effects.  Normally at this point the core will either be
   
5.                  * powered off or reset (depending on the deep sleep level). */
   
6.                 LDR    R4, =savedMSP         /* load address of savedMSP into R4 */
   
7.                 LDR    R4, [R4]              /* load the SP from savedMSP */
   
8.                 MOV    SP, R4                /* restore the SP from R4 */
   
9.                 POP   {R3-R7}                /* load R8-R12 (5 words) from the stack */
   
10.                 MOV    R8, R3                /* mov {r3 - r7} to {r8 - r12} */
    
11.                 MOV    R9, R4
    
12.                 MOV    R10, R5
    
13.                 MOV    R11, R6
    
14.                 MOV    R12, R7
    
15.                 POP   { R4 - R7, PC }        /*load R4-R7 and PC (5 words) from the stack */
    

复制代码

就是从内存中固定的地方取出保存的SP的值，初始化堆栈为 CS_contextSave() 时的状态，然后从堆栈中恢复通用寄存器和 PC，即跳到休眠前调用 CS_contextSave() 的返回地址去执行了，也就是从 BlueNRG_InternalSleep() 的中间开始执行了！这个很 tricky 吧。

BlueNRG_InternalSleep() 函数后面做的事情大概能猜到了，恢复保存的寄存器，以及再做一些额外的初始化工作，因为相当于重启了但没有执行 SystemInit()，需要补充一些工作。

所以，尽管进入 Standby 或者 Sleep 模式，BlueNRG-1 是相当于硬件复位了，还是可以通过软件上的技巧恢复到休眠之前的环境，继续执行。这里的前提是RAM不能掉电，而且有足够的空间保存硬件寄存器。

最后总结一下 BlueNRG-1 的低功耗模式

API级别	硬件状态	开启的时钟	唤醒事件
SLEEPMODE_RUNNING	Running	16MHz & 32kHz	--
SLEEPMODE_CPU_HALT	CPU Idle	16MHz & 32kHz	IRQ *
SLEEPMODE_WAKETIMER	Sleep	32kHz	GPIO, BLE Timer (RESET)
SLEEPMODE_NOTIMER	Standby	N/A	GPIO  (RESET)

zhangxpid

请问下BlueNRG-1低功耗模式三SLEEPMODE_WAKETIMER，串口发AT指令不能回送信息，该怎么解决呢？
主函数轮询调用BlueNRG_Sleep(SLEEPMODE_NOTIMER, wakeup_source, wakeup_level)函数，唤醒源设置如下（未调用前AT指令功能正常）：
uint8_t wakeup_source = WAKEUP_IO13|WAKEUP_IO11;
uint8_t wakeup_level = (WAKEUP_IOx_LOW << WAKEUP_IO13_SHIFT_MASK)| (WAKEUP_IOx_LOW << WAKEUP_IO11_SHIFT_MASK);

cruelfox

zhangxpid 发表于 2018-3-1 11:40
请问下BlueNRG-1低功耗模式三SLEEPMODE_WAKETIMER，串口发AT指令不能回送信息，该怎么解决呢？
主函数轮询 ...

SLEEPMODE_WAKETIMER模式下，串口是不工作的，不能收到外部发送的数据了。

zhangxpid

cruelfox 发表于 2018-3-1 12:02
SLEEPMODE_WAKETIMER模式下，串口是不工作的，不能收到外部发送的数据了。

串口发AT指令时应该可以临时唤醒吧，主要是想问下模式三不能通过串口唤醒（pio11）的方式来使用AT指令吗

cruelfox

zhangxpid 发表于 2018-3-1 13:27
串口发AT指令时应该可以临时唤醒吧，主要是想问下模式三不能通过串口唤醒（pio11）的方式来使用AT指令吗

串口RXD不具备唤醒功能，硬件上只有通过PIO来唤醒。如果发送端先用一个电平唤醒BlueNRG-1，然后BlueNRG-1的程序等待串口的数据是可以的。要注意延迟，不能在BlueNRG-1重新初始化串口的时候RXD上数据已经出来了。

zhangxpid

cruelfox 发表于 2018-3-1 15:12
串口RXD不具备唤醒功能，硬件上只有通过PIO来唤醒。如果发送端先用一个电平唤醒BlueNRG-1，然后BlueNRG-1 ...

嗯，好的，谢谢了