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电源管理
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:link_to_translation:`en:[English]`
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概述
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ESP-IDF 中集成的电源管理算法可以根据应用程序组件的需求,调整外围总线 (APB) 频率、CPU 频率,并使芯片进入 Light-sleep 模式,尽可能减少运行应用程序的功耗。
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应用程序组件可以通过创建和获取电源管理锁来控制功耗。
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例如:
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- 对于从 APB 获得时钟频率的外设,其驱动可以要求在使用该外设时,将 APB 频率设置为 80 MHz。
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- RTOS 可以要求 CPU 在有任务准备开始运行时以最高配置频率工作。
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- 一些外设可能需要中断才能启用,因此其驱动也会要求禁用 Light-sleep 模式。
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因为请求较高的 APB 频率或 CPU 频率,以及禁用 Light-sleep 模式会增加功耗,请将组件使用的电源管理锁降到最少。
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电源管理配置
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编译时可使用 :ref:`CONFIG_PM_ENABLE` 选项启用电源管理功能。
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启用电源管理功能将会增加中断延迟。额外延迟与多个因素有关,例如:CPU 频率、单/双核模式、是否需要进行频率切换等。CPU 频率为 240 MHz 且未启用频率调节时,最小额外延迟为 0.2 us;如果启用频率调节,且在中断入口将频率由 40 MHz 调节至 80 MHz,则最大额外延迟为 40 us。
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应用程序可以通过调用 :cpp:func:`esp_pm_configure` 函数启用动态调频 (DFS) 功能和自动 Light-sleep 模式。此函数的参数为 :cpp:class:`esp_pm_config_esp32_t`,定义了频率调节的相关设置。在此参数结构中,需要初始化下面三个字段:
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- ``max_freq_mhz``:最大 CPU 频率 (MHz),即获取 ``ESP_PM_CPU_FREQ_MAX`` 锁后所使用的频率。该字段通常设置为 :ref:`CONFIG_ESP32_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ`。
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- ``min_freq_mhz``:最小 CPU 频率 (MHz),即仅获取 ``ESP_PM_APB_FREQ_MAX`` 锁后所使用的频率。该字段可设置为晶振 (XTAL) 频率值,或者 XTAL 频率值除以整数。注意,10 MHz 是生成 1 MHz 的 REF_TICK 默认时钟所需的最小频率。
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- ``light_sleep_enable``:没有获取任何管理锁时,决定系统是否需要自动进入 Light-sleep 状态 (``true``/``false``)。
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或者,如果在 menuconfig 中启用了 :ref:`CONFIG_PM_DFS_INIT_AUTO` 选项,最大 CPU 频率将由 :ref:`CONFIG_ESP32_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ` 设置决定,最小 CPU 频率将锁定为 XTAL 频率。
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.. note::
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1. 自动 Light-sleep 模式基于 FreeRTOS Tickless Idle 功能,因此如果在 menuconfig 中没有启用 :ref:`CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE` 选项,在请求自动 Light-sleep 时,:cpp:func:`esp_pm_configure` 将会返回 `ESP_ERR_NOT_SUPPORTED` 错误。
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2. 在 Light-sleep 状态下,外设设有时钟门控,不会产生来自 GPIO 和内部外设的中断。:doc:`sleep_modes` 文档中所提到的唤醒源可用于从 Light-sleep 状态触发唤醒。例如,EXT0 和 EXT1 唤醒源就可以通过 GPIO 唤醒芯片。
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电源管理锁
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应用程序可以通过获取或释放管理锁来控制电源管理算法。应用程序获取电源管理锁后,电源管理算法的操作将受到下面的限制。释放电源管理锁后,限制解除。
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电源管理锁设有获取/释放计数器,如果已多次获取电源管理锁,则需要将电源管理锁释放相同次数以解除限制。
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ESP32 支持下表中所述的三种电源管理锁。
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电源管理锁 描述
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``ESP_PM_CPU_FREQ_MAX`` 请求使用 :cpp:func:`esp_pm_configure` 将 CPU 频率设置为最大值。ESP32 可以将该值设置为 80 MHz、160 MHz 或 240 MHz。
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``ESP_PM_APB_FREQ_MAX`` 请求将 APB 频率设置为最大值,ESP32 支持的最大频率为 80 MHz。
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``ESP_PM_NO_LIGHT_SLEEP`` 禁止自动切换至 Light-sleep 模式。
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电源管理算法
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下表列出了启用动态调频时如何切换 CPU 频率和 APB 频率。您可以使用 :cpp:func:`esp_pm_configure` 或者 :ref:`CONFIG_ESP32_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ` 指定 CPU 最大频率。
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| CPU 最高频率 | 电源管理锁获取情况 | CPU 频率和 APB 频率 |
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| 240 MHz | 获取 ``ESP_PM_CPU_FREQ_MAX`` 或 ``ESP_PM_APB_FREQ_MAX`` | CPU: 240 MHz APB: 80 MHz |
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| \ | 无 | 使用 :cpp:func:`esp_pm_configure` 为二者设置最小值 |
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+--------------+---------------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
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| 160 MHz | 获取 ``ESP_PM_CPU_FREQ_MAX`` | CPU: 160 MHz APB: 80 MHz |
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+ +---------------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
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| \ | 获取 ``ESP_PM_CPU_FREQ_MAX``, | CPU: 80 MHz APB: 80 MHz |
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| | 未获取 ``ESP_PM_APB_FREQ_MAX`` | |
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+ +---------------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
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| \ | 无 | 使用 :cpp:func:`esp_pm_configure` 为二者设置最小值 |
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+--------------+---------------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
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| 80 MHz | 获取 ``ESP_PM_CPU_FREQ_MAX`` 或 ``ESP_PM_APB_FREQ_MAX`` | CPU: 80 MHz APB: 80 MHz |
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+ +---------------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
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| \ | 无 | 使用 :cpp:func:`esp_pm_configure` 为二者设置最小值 |
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+--------------+---------------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
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如果没有获取任何管理锁,调用 :cpp:func:`esp_pm_configure` 将启动 Light-sleep 模式。 Light-sleep 模式持续时间由以下因素决定:
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- 处于阻塞状态的 FreeRTOS 任务数(有限超时)
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- :doc:`高分辨率定时器 <esp_timer>` API 注册的计数器数量
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您也可以设置 Light-sleep 模式在最近事件(任务解除阻塞,或计时器超时)之前持续多久才唤醒芯片。
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动态调频和外设驱动
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启用动态调频后,APB 频率可在一个 RTOS 滴答周期内多次更改。有些外设不受 APB 频率变更的影响,但有些外设可能会出现问题。例如,Timer Group 外设定时器会继续计数,但定时器计数的速度将随 APB 频率的变更而变更。
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下面的外设不受 APB 频率变更的影响:
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- **UART**:如果 REF_TICK 用作时钟源,则 UART 不受 APB 频率变更影响。请查看 :cpp:class:`uart_config_t` 中的 `use_ref_tick`。
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- **LEDC**:如果 REF_TICK 用作时钟源,则 LEDC 不受 APB 频率变更影响。请查看 :cpp:func:`ledc_timer_config` 函数。
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- **RMT**:如果 REF_TICK 用作时钟源,则 RMT 不受 APB 频率变更影响。此驱动程序尚不支持 REF_TICK,但可以清除相应通道的 ``RMT_REF_ALWAYS_ON_CHx`` 位来启用该功能。
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目前以下外设驱动程序可感知动态调频,并在调频期间使用 ``ESP_PM_APB_FREQ_MAX`` 锁:
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- SPI master
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- I2C
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- I2S(如果 APLL 锁在使用中,I2S 则会启用 ``ESP_PM_NO_LIGHT_SLEEP`` 锁)
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- SDMMC
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启用以下驱动程序时,将占用 ``ESP_PM_APB_FREQ_MAX`` 锁:
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- **SPI slave**:从调用 :cpp:func:`spi_slave_initialize` 至 :cpp:func:`spi_slave_free` 期间。
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- **Ethernet**:从调用 :cpp:func:`esp_eth_enable` 至 :cpp:func:`esp_eth_disable` 期间。
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- **WiFi**:从调用 :cpp:func:`esp_wifi_start` 至 :cpp:func:`esp_wifi_stop` 期间。如果启用了调制解调器睡眠模式,广播关闭时将释放此管理锁。
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- **Bluetooth**:从调用 :cpp:func:`esp_bt_controller_enable` 至 :cpp:func:`esp_bt_controller_disable` 期间。如果启用了蓝牙调制解调器,广播关闭时将释放此管理锁。但依然占用 ``ESP_PM_NO_LIGHT_SLEEP`` 锁。
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- **CAN**:从调用 :cpp:func:`can_driver_install` 至 :cpp:func:`can_driver_uninstall` 期间。
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以下外设驱动程序无法感知动态调频,应用程序需自己获取/释放管理锁:
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- MCPWM
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- PCNT
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- Sigma-delta
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- Timer Group
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API 参考
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.. include:: /_build/inc/esp_pm.inc
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.. include:: /_build/inc/pm.inc
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