3. 硬件基础：MCU的几种典型低功耗模式

做无线设备，说白了就是在跟电池较劲。你想想看，一个传感器节点可能要在野外跑一年，电池就那么点容量，MCU 要是不会「偷懒」，根本撑不住。

我个人习惯把 MCU 的低功耗模式比作人的睡眠状态——有浅睡、深睡、还有完全昏迷。不同场景选不同模式，选错了要么功耗下不来，要么醒不过来。这章我们就把这几种模式掰开揉碎讲清楚。

3.1 四种核心模式概览

大部分现代 MCU（比如 STM32、EFM32、MSP430）都提供 4 种基本运行状态。我整理了一张表，方便你对照着看：

模式	CPU 状态	外设状态	唤醒源	典型电流
Run	全速运行	全部可用	—	mA 级
Sleep	暂停	全部保持	任意中断	几百 µA
Deep Sleep	暂停	部分保留	特定外设/RTC	几 µA
Shutdown	掉电	全部关闭	复位/唤醒引脚	nA 级

嗯，这里要注意：不同厂商的叫法可能不一样。比如 ST 把 Deep Sleep 叫 Stop 模式，Shutdown 叫 Standby。但底层逻辑是一样的——用关闭功能换省电。

3.2 Run 模式——该干活时就干活

Run 模式没什么好说的，CPU 全速跑，所有外设都开着。这时候功耗最高，但也是唯一能真正「干活」的状态。

我在项目中遇到过不少新手，上来就想让 MCU 一直跑在低功耗模式。这其实是个误区。你想想，无线设备要发数据包，发一个包可能只要 10ms，但电流是 10mA。如果这 10ms 你让它跑在 Sleep 模式，数据根本发不出去。

3.3 Sleep 模式——浅睡，随叫随到

Sleep 模式是最温和的低功耗模式。CPU 的时钟停了，但 SRAM 和寄存器内容全部保留，所有外设照常工作。任何一个中断都能把它唤醒。

说白了，这就是「假寐」。CPU 虽然不执行代码了，但整个系统还处于待命状态。

什么时候用？比如你在等一个 SPI 传输完成，或者等一个 GPIO 电平变化。这种场景下，Sleep 模式最合适——唤醒快（几个时钟周期），而且不用操心保存现场。

// 伪代码示例：进入 Sleep 模式
void enter_sleep(void) {
    // 设置 SLEEPDEEP 位为 0
    SCB->SCR &= ~(1 << 2);
    // 执行 WFI 指令
    __WFI();
    // 醒来后从这里继续执行
}

3.4 Deep Sleep 模式——深度休息，只留关键设备

Deep Sleep 模式就狠多了。CPU 停掉，大部分外设的时钟也切掉，只保留少数几个关键模块——比如 RTC、低功耗定时器、以及你指定的唤醒引脚。

为什么会这样？因为很多外设在 Deep Sleep 下根本用不上。比如你不需要在睡觉的时候还开着 USART 等数据，那纯粹是浪费电。

我建议你在设计时先列一个清单：Deep Sleep 期间，哪些外设必须活着？

• 必须保留：RTC（维持时间）、唤醒定时器、唤醒 GPIO
• 可以关闭：ADC、DAC、SPI、I2C、USART、DMA
• 视情况保留：看门狗（如果要求高可靠性）

唤醒时间比 Sleep 模式长一些，大概几十微秒到几百微秒。因为系统需要重新锁相环、恢复时钟树。

3.5 Shutdown 模式——彻底关机，几乎零功耗

Shutdown 模式是终极省电手段。CPU 掉电，SRAM 内容丢失，所有外设全部关闭。整个芯片只剩下几个唤醒引脚还活着。

这时候的电流能低到什么程度？几十纳安。对，你没看错，是 nA 级。一节 CR2032 电池在这种模式下能撑好几年。

但代价也很大：

• 唤醒相当于一次复位，程序从头开始跑
• RAM 里的数据全没了，必须提前保存到备份寄存器或 Flash
• 唤醒时间最长，通常需要几毫秒

所以 Shutdown 模式只适合那些「大部分时间完全不需要干活」的场景。比如一个温湿度传感器，每小时醒来一次，采集 10ms 数据，发完就继续睡。

// 伪代码示例：进入 Shutdown 模式（以 STM32 为例）
void enter_shutdown(void) {
    // 设置 SLEEPDEEP 位为 1
    SCB->SCR |= (1 << 2);
    // 选择 Standby 模式
    PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;
    // 清除唤醒标志
    PWR->CR |= PWR_CR_CWUF;
    // 执行 WFI
    __WFI();
    // 醒来后从 Reset Handler 开始执行
}

3.6 四种模式的切换逻辑

光知道每种模式是什么还不够，你得知道什么时候切、怎么切。下面这张 SVG 图展示了我常用的状态机设计：

3.7 如何选择合适模式

选模式其实就三个问题：

1. 你多久醒一次？——唤醒间隔越短，越不适合用 Shutdown，因为唤醒开销占比太大
2. 醒来要干什么？——如果只是检查一个标志位，Sleep 就够了；如果要发无线数据包，必须 Run
3. 数据能不能丢？——Shutdown 会清空 RAM，关键数据必须提前存到非易失区

我个人的经验是：能用 Deep Sleep 就别用 Sleep，能用 Shutdown 就别用 Deep Sleep。但前提是——你得把唤醒逻辑和现场恢复都测试透了。否则省下来的电，全花在调试上了。