ESP32 学习笔记（二十一）电源管理

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电源管理

概述

ESP-IDF 中包含的电源管理算法可以根据应用组件的要求调整 APB 频率，CPU 频率，并使芯片进入 light sleep 模式，以尽可能低的功耗运行应用程序。

应用程序组件可以通过创建和获取电源管理锁来表达其要求。

例如，由 APB 提供时钟的外围设备的驱动器可以在使用外围设备的时间内请求将 APB 频率设置为80MHz。另一个例子是，当有任务准备好运行时，RTOS 将请求 CPU 以最高配置频率运行。又一个例子是需要启用中断的外围驱动器。这样的驱动程序可以请求禁用 light sleep。

当然，要求更高的 APB 或 CPU 频率或禁用 light sleep 会导致更高的电流消耗。组件应尽可能在最短的时间内限制电源管理锁的使用。

配置

可以使用 CONFIG_PM_ENABLE 选项在编译时启用电源管理。

启用电源管理功能的代价是增加了中断延迟。额外延迟取决于许多因素，其中包括 CPU 频率，单/双核模式，是否需要执行频率切换。最小额外延迟为 0.2us（当 CPU 频率为 240MHz，并且未启用频率调整时），最大额外延迟为 40us（启用频率调整时，在中断输入时执行从 40MHz 到 80MHz 的切换）。

通过调用 esp_pm_configure() 函数，可以在应用程序中启用动态频率调整（DFS）和自动光睡眠。它的参数是定义频率缩放设置的结构，esp_pm_config_esp32_t。在此结构中，需要初始化 3 个字段：

• max_freq_mhz - 最大 CPU 频率，以 MHZ 为单位（即采用 ESP_PM_CPU_FREQ_MAX 时使用的频率）。 这通常设置为 CONFIG_ESP32_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ。
• min_freq_mhz - 最小 CPU 频率，以 MHz 为单位（即仅采用 ESP_PM_APB_FREQ_MAX 锁定时使用的频率）。 这可以设置为 XTAL 频率，或 XTAL 频率除以整数。 请注意，10MHz 是可以生成 1MHz 的默认REF_TICK时钟的最低频率。
• light_sleep_enable - 当没有锁定时，系统是否应自动进入 light sleep 状态（true/false）。

自动 light sleep 模式基于 FreeRTOS Tickless Idle 功能。如果在 menuconfig 中未启用 CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE选项，则 esp_pm_configure() 将返回 ESP_ERR_NOT_SUPPORTED 错误，但请求自动 light sleep。

在 light sleep 模式下，外设是时钟门控的，不会产生中断（来自 GPIO 和内部外设）。睡眠模式文档中描述的唤醒源可用于从 light sleep 状态唤醒。例如，EXT0 和 EXT1 唤醒源可用于从 GPIO 唤醒。

或者，可以在 menuconfig 中启用 CONFIG_PM_DFS_INIT_AUTO 选项。如果启用，最大 CPU 频率由 CONFIG_ESP32_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ 设置决定，最小 CPU 频率设置为 XTAL 频率。

电源管理锁

如概述中所述，应用程序可以获取/释放锁以控制电源管理算法。当应用程序锁定时，对于每个锁定，电源管理算法操作以下面描述的方式受到限制。释放锁定时，将删除此类限制。

应用程序的不同部分可以采用相同的锁定。 在这种情况下，锁定必须被释放的次数与获取的次数相同，以便恢复功率管理算法。

在 ESP32 中，支持三种类型的锁：

• ESP_PM_CPU_FREQ_MAX
  请求 CPU 频率为 esp_pm_configure() 设置的最大值。对于 ESP32，此值可以设置为 80,160 或 240MHz。
• ESP_PM_APB_FREQ_MAX
  请求 APB 频率处于最大支持值。对于 ESP32，这是 80MHz。
• ESP_PM_NO_LIGHT_SLEEP
  防止使用自动 light sleep 模式。

ESP32 的电源管理算法

启用动态频率调整后，CPU 频率将按如下方式切换：

• 如果最大 CPU 频率（使用 esp_pm_configure() 或 CONFIG_ESP32_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ 设置）为 240 MHz：

  1. 获取 ESP_PM_CPU_FREQ_MAX 或 ESP_PM_APB_FREQ_MAX 时，CPU 频率为 240 MHz，APB 频率为 80 MHz。
  2. 否则，频率将切换到使用 esp_pm_configure()设置的最小值。

• 如果最大 CPU 频率为 160 MHz：

  1. 获取 ESP_PM_CPU_FREQ_MAX 时，CPU 频率设置为 160 MHz，APB 频率设置为 80 MHz。
  2. 当未获取 ESP_PM_CPU_FREQ_MAX 但 ESP_PM_APB_FREQ_MAX 为时，CPU 和 APB 频率设置为 80 MHz。
  3. 否则，频率将切换到使用 esp_pm_configure() 设置的最小值。

• 如果最大 CPU 频率为 80 MHz：

  1. 获取 ESP_PM_CPU_FREQ_MAX 或 ESP_PM_APB_FREQ_MAX 锁时，CPU 和 APB 频率将为 80 MHz。
  2. 否则，频率将切换到使用 esp_pm_configure() 设置的最小值。

• 如果未获取任何锁定，并且在调用 esp_pm_configure() 时启用了轻度睡眠，则系统将进入轻度睡眠模式。轻度睡眠的持续时间将由以下因素确定：

  • FreeRTOS 任务因有限超时而被阻止
  • 定时器使用高分辨率计时器 API 注册

轻度睡眠持续时间将被选择为在最近的事件之前唤醒（任务被解锁或计时器过去）。

动态频率调整和外设驱动程序

启用 DFS 后，APB 频率可在单个 RTOS 滴答内多次更改。即使 APB 频率发生变化，一些外围设备也能正常工作; 有些不能。

即使 APB 频率发生变化，以下外设也能正常工作：

• UART：如果 REF_TICK 用作时钟源（请参阅 uart_config_t 的 use_ref_tick 成员）。
• LEDC：如果 REF_TICK 用作时钟源（参见 ledc_timer_config() 函数）。
• RMT：如果 REF_TICK 用作时钟源。 目前，驱动程序不支持 REF_TICK，但可以通过清除相应通道的 RMT_REF_ALWAYS_ON_CHx 位来启用它。

目前，以下外围驱动程序知道 DFS，并将在事务持续时间内使用 ESP_PM_APB_FREQ_MAX 锁定：

• SPI master
• SDMMC

启用驱动程序时，以下驱动程序将保持 ESP_PM_APB_FREQ_MAX 锁定：

• SPI slave - 在调用 spi_slave_initialize() 和 spi_slave_free() 之间。
• 以太网 - 在调用 esp_eth_enable() 和 esp_eth_disable() 之间。
• WiFi - 在调用 esp_wifi_start() 和 esp_wifi_stop() 之间。 如果启用了调制解调器睡眠，则在禁用无线电时的一段时间内将释放锁定。
• 蓝牙 - 在调用 esp_bt_controller_enable() 和 esp_bt_controller_disable() 之间。
• CAN - 调用 can_driver_install() 和 can_driver_uninstall() 之间

以下外围驱动程序尚未知道 DFS。应用程序需要在必要时获取/释放锁定：

• I2C
• I2S
• MCPWM
• PCNT
• Sigma-delta
• Timer group