如何优化 STM32MP1 的电源管理以降低功耗？

只看该作者 · 2024-9-30 23:21

要优化 STM32MP1 的电源管理以降低功耗，可以通过以下几个步骤和方法实现。STM32MP1 支持多种电源管理模式和功能，合理利用这些功能可以显著降低系统功耗。

1. 了解 STM32MP1 支持的电源管理模式
STM32MP1 具有多种电源管理模式，每种模式可以在不同的应用场景下使用来降低功耗：

1.1 运行模式（Run Mode）
设备在正常工作时运行的模式，分为两种子模式：

CA7 Run Mode：ARM Cortex-A7 处理器核处于运行状态。
CA7 Sleep Mode：Cortex-A7 进入等待中断状态，但设备其他部分仍在运行。
1.2 低功耗模式（Low Power Mode）
低功耗模式可以降低功耗，但仍保持关键外设或处理器部分处于活跃状态。

Sleep Mode：Cortex-A7 处理器进入低功耗状态，所有时钟停止，但可以通过外部中断唤醒。
Low Power Run Mode：降低处理器和外设的工作频率，减少能耗。
1.3 深度低功耗模式（Deep Sleep Mode）
设备大部分模块关闭，只有一些关键的外设或处理器部分处于活跃状态，适用于不需要长时间运算但需要定时唤醒的场景。

Stop Mode：几乎所有的时钟关闭，仅保留部分内存内容，靠外部事件唤醒。
Standby Mode：最深度的低功耗模式，所有时钟和内存都关闭，只保留最低功耗的唤醒源（如 RTC）。
Backup Mode：除电池供电部分外，其他所有模块关闭。

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配置动态电压和频率调节 (DVFS)
动态电压和频率调节 (DVFS) 是通过调整处理器的运行频率和工作电压来优化能效的一种技术。在 STM32MP1 中，DVFS 可以通过 Linux 内核来管理，根据负载情况动态调整 CPU 频率和电压，降低功耗。

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启用 CPU 频率调节
在 Linux 中，通过 cpufreq 框架管理 CPU 频率调节。以下是一些关键步骤：

确保 Linux 内核中启用了 CONFIG_CPU_FREQ 和相应的频率调节驱动程序。
使用 cpufreq 驱动支持 CPU 频率的动态调整。例如，STM32MP1 支持 cpufreq-dt 驱动，该驱动根据设备树（Device Tree）配置 CPU 频率范围。

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调节 CPU 调度器 Governor
Governor 是管理 CPU 频率的策略。常用的 governor 有以下几种：

performance：始终运行在最高频率，适合高性能需求的应用。
powersave：始终运行在最低频率，适合低功耗需求的应用。
ondemand：根据 CPU 负载动态调整频率，适合大多数应用场景。
conservative：类似于 ondemand，但频率变化更加平滑，适合对功耗敏感的场景。

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使用以下命令可以查看和配置 CPU 的频率：

bash
复制代码
# 查看当前 CPU 的频率信息
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_available_frequencies

# 设置 CPU 调度器为 ondemand 模式
echo "ondemand" > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

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优化 DVFS 表
DVFS 表定义了 CPU 不同频率对应的电压值，可以在设备树中配置。确保设备树文件中定义了合理的频率和电压范围，避免使用过高的电压，导致不必要的功耗。

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使用 Linux 中的电源管理工具
3.1 CPU Idle 驱动
Linux 内核中的 CPU Idle 驱动负责在 CPU 处于空闲状态时，将其切换到适当的低功耗模式。STM32MP1 支持多种 idle 模式，使用 CONFIG_CPU_IDLE 内核配置选项启用该功能。

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以下命令可以查看和调整 idle 驱动：

bash
复制代码
# 查看支持的 idle 状态
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpuidle/state*

# 强制进入某种 idle 状态
echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpuidle/stateX/disable

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Runtime Power Management
通过 Runtime PM 机制，在不使用外设时关闭其时钟和电源，减少能耗。可以通过 /sys/devices/.../power/control 接口动态管理外设电源。

bash
复制代码
# 设置外设进入自动电源管理
echo "auto" > /sys/devices/…/power/control

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使用电源域管理（Power Domains）
STM32MP1 支持多个电源域，通过控制不同电源域的开关，可以动态关闭某些不必要的外设或模块。

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例如，使用 Device Tree 中的 power-domains 定义某些外设所属的电源域，并通过 Linux 驱动管理它们的启停。

dts
复制代码
&usart3 {
power-domains = <&pd_usart3>;
status = "okay";
};
在不使用某些外设时，可以将其所在的电源域关闭，从而降低功耗。

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启用 Peripheral 的低功耗模式
STM32MP1 的外设（如 UART、I2C、SPI 等）也支持低功耗模式，可以通过 Linux 驱动动态调整外设的电源状态。例如：

关闭未使用的外设。
利用外设的低功耗运行模式，如使用 UART 的 DMA 模式代替轮询模式。

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使用 RTC 唤醒机制
在深度低功耗模式（如 Standby 或 Backup 模式）下，STM32MP1 的实时时钟（RTC）可以用于定时唤醒系统。通过 RTC 唤醒机制，可以让系统在低功耗模式下定时进行任务处理，进一步降低整体功耗。

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其他硬件优化
减小外设负载：减少 GPIO 引脚或外设的负载。例如，关闭不必要的 LED 或传感器模块。
优化时钟配置：确保只开启必要的时钟源，降低高频时钟的运行时间。

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总结
要优化 STM32MP1 的电源管理并降低功耗，可以从以下几个方面入手：
合理使用不同的电源模式（Run、Low Power、Deep Sleep）。
在 Linux 中启用 DVFS 和 CPU Idle 机制，根据负载动态调节频率和电压。
使用 Linux 的电源管理工具和 runtime PM 来动态关闭不必要的外设。
配置设备树和外设的低功耗模式，关闭未使用的模块和电源域。
通过合理配置这些机制，可以大幅降低 STM32MP1 的整体功耗，同时确保系统性能和响应时间。