不久前，我們構(gòu)建了一個名為 SolarCamPi 的項目，這是一個離網(wǎng)太陽能供電的WiFi攝像頭。

在這個項目中，我們使用了Raspberry Pi Zero 2 W，它在啟動時進入Linux系統(tǒng)，拍攝一張照片，建立WiFi連接，然后再次關(guān)閉（以節(jié)省電量）。這個過程每幾分鐘重復(fù)一次，以便持續(xù)向云服務(wù)發(fā)送最新圖像。

Raspberry Pi Zero 每開機一秒鐘都會消耗寶貴的電力，這對于太陽能供電的設(shè)備來說是一種稀缺資源（至少在西歐的冬天是這樣……）。用戶空間的應(yīng)用程序（服務(wù)器連接、圖片上傳等）已經(jīng)盡可能進行了優(yōu)化。電子設(shè)備的設(shè)置也特意設(shè)計為在休眠時盡可能少地消耗電力。

有兩種方法可以進一步降低總能耗：

1.降低功耗/電流

2.減少運行時間

然而，在某些情況下，需要在兩者之間找到平衡。例如，僅僅為了節(jié)省一些電流而禁用CPU渦輪加速并不是一個好主意，因為由此產(chǎn)生的額外時間將消耗比快速完成任務(wù)并關(guān)閉更多的能量。我們想要的是電流與時間圖下的面積盡可能小。

硬件設(shè)置

在優(yōu)化嵌入式啟動過程時，能夠在做出更改后迅速看到效果至關(guān)重要。在工作中頻繁更換SD卡、擺弄讀卡器和電源供應(yīng)器既分散注意力又令人厭煩。

為了避免這種情況，存在一些有用的工具：

1.Nordic Power Profiler Kit II

2.USB-SD-Mux Fast

3.USB-UART轉(zhuǎn)換器

Power Profiler Kit

Power Profiler Kit II（現(xiàn)在稱為PPK）可以為被測設(shè)備（DUT）供電，并隨時間準確測量其功耗。您可以啟用/禁用DUT，查看任何時間點的功耗，以及查看8個數(shù)字輸入的狀態(tài)！我們將其中一個數(shù)字輸入連接到Raspberry Pi的GPIO引腳上。

這樣，“我們的應(yīng)用程序”的第一個動作（即終點線）將是切換GPIO引腳。然后，我們只需測量從開機到GPIO切換之間的時間。

USB-SD-Mux

USB-SD-Mux是硬件黑客們非常有用的工具，它是microSD卡和帶有USB-C接口的DUT之間的轉(zhuǎn)換器。計算機可以從DUT“竊取”microSD卡，重寫其內(nèi)容，然后將microSD卡插回DUT，而無需觸摸設(shè)備。

這大大簡化了測試更改的工作流程，避免了拔下卡片、將其插入microSD讀卡器、刷新、將卡片插回DUT等繁瑣步驟。它甚至可以使用板載GPIO來自動重置或供電DUT。

USB-UART轉(zhuǎn)換器

幾乎需要某種形式的UART接口。這些更改將在某個時刻破壞系統(tǒng)啟動、WiFi連接等，而如果沒有UART控制臺，我們將無法看到發(fā)生了什么。標準的CP2102、FTDI等轉(zhuǎn)換器都能很好地工作。

測量/測試設(shè)置

在干凈的Debian 12（bookworm）arm64 Lite映像上，修改了/boot/firmware/cmdline.txt 文件以包含init=/init.sh。這意味著內(nèi)核將在用戶空間的第一件事就是執(zhí)行/init.sh腳本（在運行systemd或任何其他內(nèi)容之前）。

這樣的init.sh腳本可能如下所示：

#!/bin/bashgpioset 0 4=0sleep 1gpioset 0 4=1sleep 1gpioset 0 4=0exec /sbin/init

這將切換GPIO4，然后用/sbin/init（即systemd）替換自己以恢復(fù)正常啟動。

在Nordic的Power Profiler軟件中，您可以看到Raspberry Pi在啟動過程中的電流消耗（以5V計算）。大約12秒后，數(shù)字輸入0變?yōu)榈碗娖?，表明我們的init.sh已執(zhí)行。

在此過程中，總共使用了1.90庫侖（庫侖和安培秒是等價的）的電量。計算1.9As * 5.0V得出此啟動過程的能耗為9.5Ws。

作為參考：一節(jié)AA堿性電池可以提供約13500Ws的能量。

降低電流

首先，我們來做簡單的事情，盡可能降低工作電流。

禁用HDMI

我們可以完全禁用HDMI編碼器。由于我們需要GPU來編碼攝像頭數(shù)據(jù)，因此無法禁用GPU。如果您的應(yīng)用程序不需要攝像頭/GPU支持，請嘗試完全禁用GPU。

這可以將電流消耗從136.7mA降低到122.6mA（超過10%?。?。

相關(guān)的config.txt參數(shù)：

# disable HDMI (saves power)dtoverlay=vc4-kms-v3d,nohdmimax_framebuffers=1disable_fw_kms_setup=1disable_overscan=1# disable composite video outputenable_tvout=0

禁用活動LED

僅通過禁用活動LED，我們就可以節(jié)省2mA（從122.6mA降低到120.6mA）。

dtparam=act_led_trigger=nonedtparam=act_led_activelow=on

禁用攝像頭LED

對攝像頭LED重復(fù)相同的操作（如果存在）。這還將減少LED反射回圖像的機會。

disable_camera_led=1

渦輪調(diào)整

如前所述，在浪費時間的同時節(jié)省電流可能并不理想。

在當前的更改下，Pi可以在使用1.62As的情況下啟動。

force_turbo=0initial_turbo=10arm_boost=0

在沒有強制渦輪模式的情況下，使用了1.58As：

出于某種未知原因，禁用渦輪/增強模式也會反轉(zhuǎn)GPIO4的默認狀態(tài)（因此我在init.sh中切換了極性）。

減少時間

電流降低了約13%，這很有幫助，但仍有很長的路要走。

Pi在出現(xiàn)Linux控制臺上的第一行輸出之前需要8秒鐘（同時消耗約1As）。

幸運的是，有多種方法可以獲取有關(guān)這8秒鐘的更多信息。

調(diào)試啟動

在Raspberry Pi家族的啟動過程中，GPU首先初始化。

它與SD卡通信并查找bootcode.bin文件（Pi 4及更新版本使用EEPROM代替）。

我們可以修改此bootcode.bin以啟用詳細的UART日志記錄：

sed -i -e "s/BOOT_UART=0/BOOT_UART=1/" /boot/firmware/bootcode.bin

首先備份原始的bootcode.bin，因為此過程可能是破壞性的。

使用啟用的BOOT_UART重啟后，我們會獲得大量有用的信息：

Raspberry Pi BootcodeFound SD card, config.txt = 1, start.elf = 1, recovery.elf = 0, timeout = 0Read File: config.txt, 1322 (bytes)Raspberry Pi BootcodeRead File: config.txt, 1322Read File: start.elf, 2981376 (bytes)Read File: fixup.dat, 7303 (bytes)MESS000: brfs: File read: /mfs/sd/config.txtMESS000: brfs: File read: 1322 bytesMESS000: HDMI0:EDID error reading EDID block 0 attempt 0[..]MESS000: HDMI0:EDID error reading EDID block 0 attempt 9MESS000: HDMI0:EDID giving up on reading EDID block 0MESS000: brfs: File read: /mfs/sd/config.txtMESS000: gpioman: gpioman_get_pin_num: pin LEDS_PWR_OK not definedMESS000: gpioman: gpioman_get_pin_num: pin LEDS_PWR_OK not definedMESS000: *** Restart loggingMESS000: brfs: File read: 1322 bytesMESS000: hdmi: HDMI0:EDID error reading EDID block 0 attempt 0[..]MESS000: hdmi: HDMI0:EDID error reading EDID block 0 attempt 9MESS000: hdmi: HDMI0:EDID giving up on reading EDID block 0MESS000: hdmi: HDMI0:EDID error reading EDID block 0 attempt 0[..]MESS000: hdmi: HDMI0:EDID error reading EDID block 0 attempt 9MESS000: hdmi: HDMI0:EDID giving up on reading EDID block 0MESS000: hdmi: HDMI:hdmi_get_state is deprecated, use hdmi_get_display_state insteadMESS000: HDMI0: hdmi_pixel_encoding: 162000000MESS000: brfs: File read: /mfs/sd/initramfs8MESS000: Loaded 'initramfs8' to 0x0 size 0xb0898eMESS000: initramfs loaded to 0x1b4e7000 (size 0xb0898e)MESS000: dtb_file 'bcm2710-rpi-zero-2-w.dtb'MESS000: brfs: File read: 11569550 bytesMESS000: brfs: File read: /mfs/sd/bcm2710-rpi-zero-2-w.dtbMESS000: Loaded 'bcm2710-rpi-zero-2-w.dtb' to 0x100 size 0x8258MESS000: brfs: File read: 33368 bytesMESS000: brfs: File read: /mfs/sd/overlays/overlay_map.dtbMESS000: brfs: File read: 5255 bytesMESS000: brfs: File read: /mfs/sd/config.txtMESS000: dtparam: audio=onMESS000: brfs: File read: 1322 bytesMESS000: brfs: File read: /mfs/sd/overlays/vc4-kms-v3d.dtboMESS000: Loaded overlay 'vc4-kms-v3d'MESS000: dtparam: nohdmi=trueMESS000: dtparam: act_led_trigger=noneMESS000: dtparam: act_led_activelow=onMESS000: brfs: File read: 2760 bytesMESS000: brfs: File read: /mfs/sd/cmdline.txtMESS000: Read command line from file 'cmdline.txt':MESS000: 'console=serial0,115200 console=tty1 root=PARTUUID=26bbce6b-02 rootfstype=ext4 fsck.repair=yes rootwait cfg80211.ieee80211_regdom=DE init=/init.sh'MESS000: gpioman: gpioman_get_pin_num: pin EMMC_ENABLE not definedMESS000: brfs: File read: 146 bytesMESS000: brfs: File read: /mfs/sd/kernel8.imgMESS000: Loaded 'kernel8.img' to 0x200000 size 0x8d8bd7MESS000: Device tree loaded to 0x1b4de900 (size 0x8605)MESS000: uart: Set PL011 baud rate to 103448.300000 HzMESS000: uart: Baud rate change done...MESS000: uart: Baud rate[ 0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0000000000 [0x410fd034]

禁用HDMI探測

在啟動過程中，引導(dǎo)加載程序會花費大量時間嘗試自動檢測可能連接的HDMI顯示器的視頻參數(shù)。然而，由于我們沒有HDMI（而且它已經(jīng)被禁用了），因此等待I2C響應(yīng)以獲取EDID（包括分辨率、幀率等信息）信息并不明智。

通過簡單地硬編碼一個EDID字符串，我們可以禁用任何探測：

# don't try to read HDMI eepromhdmi_blanking=2hdmi_ignore_edid=0xa5000080hdmi_ignore_cec_init=1hdmi_ignore_cec=1

禁用HAT、PoE和LCD探測

啟動過程還會嘗試檢測HAT上的I2C EEPROM，嘗試檢測需要風(fēng)扇的PoE HAT以及其他一些內(nèi)容。我們可以安全地禁用這些探測：

# all these options cause a wait for an I2C bus response, we don't need any of them, so let's disable them.force_eeprom_read=0disable_poe_fan=1ignore_lcd=1disable_touchscreen=1disable_fw_kms_setup=1

禁用攝像頭和顯示器探測

探測連接的MIPI攝像頭或顯示器也會花費一些時間。我們知道連接了哪個攝像頭（在這個案例中是HQ Camera，IMX477），因此我們可以硬編碼這個信息：

# no autodetection for anything (will wait for I2C answers)camera_auto_detect=0display_auto_detect=0# load HQ camera IMX477 sensor manuallydtoverlay=imx477

禁用initramfs

上述更改將（自報告的）啟動時間從5.38秒縮短到4.75秒。我們可以通過移除auto_initramfs=1來完全禁用initramfs，這取決于initramfs的大小，但可以將啟動時間縮短到4.47秒。

經(jīng)過測試，沒有顯著差異

盡管網(wǎng)上經(jīng)常推薦將SD外設(shè)超頻到100 MHz，但這在啟動性能上并沒有產(chǎn)生可測量的差異

# not recommended! data corruption risk!dtoverlay=sdtweak,overclock_50=100

而且，在高速下操作SD外設(shè)還存在數(shù)據(jù)損壞的風(fēng)險（在寫入訪問時），這在遠程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中是非常不希望的。

內(nèi)核加載

此時，加載內(nèi)核是最慢的操作之一。

MESS000: Loaded 'kernel8.img' to 0x200000 size 0x8d8bd7MESS000: Device tree loaded to 0x1b4de900 (size 0x8605)

加載9276375字節(jié)大約需要1.54秒，即大約6 MiB/s的傳輸速度

內(nèi)核加載由GPU（使用其內(nèi)部的VideoCoreIV處理器）完成，這可能是加載代碼效率低下或使用了非常保守的設(shè)置。由于這是一個黑盒，我們無法直接操作寄存器或修改參數(shù)。

理論上，GPU處理器內(nèi)核超頻是可行的

# Overclock GPU VideoCore IV processor (not recommended!)core_freq_min=500core_freq=550

這確實減少了20%的內(nèi)核加載時間。但是帶來了未知的副作用(可靠性等。)

Buildroot/自定義內(nèi)核

是時候?qū)⑾到y(tǒng)從Raspbian/Debian遷移到自定義構(gòu)建的Buildroot發(fā)行版了（特別是為了獲取自定義內(nèi)核）。使用 buildroot 2024.02.1，我們配置了一個非常精簡的系統(tǒng)。原生的 aarch64 工具鏈，仍然使用完整的 glibc 和 Raspberry Pi 用戶區(qū)工具（如相機實用程序）。

內(nèi)核已配置：

• 無聲音支持

• 無大多數(shù)塊設(shè)備和文件系統(tǒng)驅(qū)動（除了SD/MMC和ext4）

• 無RAID支持

• 無USB支持

• 無HID支持

• 無DVB支持

• 無視頻和幀緩沖支持（HDMI已被禁用）

• 無高級網(wǎng)絡(luò)功能（隧道、橋接、防火墻等）

• 未壓縮（不使用Gzip）

• 模塊未壓縮（不使用Gzip）

測試表明，內(nèi)核和模塊均未壓縮可以帶來正的能量結(jié)果（即使GPU加載內(nèi)核時花費了更多時間）。Gzip解壓縮需要消耗大量能量（并且實際上涉及另一個重定位步驟）。

一個名為KASLR的安全功能也被禁用。

KASLR將內(nèi)核在內(nèi)存中的加載地址隨機化，使得編寫漏洞利用代碼更加困難(因為內(nèi)核的內(nèi)存位置是未知的)。這要求內(nèi)核在被GPU加載后重新定位。在我們的用例中，網(wǎng)絡(luò)攻擊面非常有限，所以可以禁用KASLR(反正所有應(yīng)用軟件都以root身份運行)。投機性執(zhí)行漏洞(如Spectre)的緩解也被禁用。

最終的內(nèi)核大小為8.5兆字節(jié)(未壓縮)，4.1兆字節(jié)壓縮為Gzip(這里沒有使用，只是為了比較)。最初的Raspbian內(nèi)核是25 MiB(未壓縮)，8.9 MiB壓縮為Gzip

最終結(jié)果

現(xiàn)在，我們可以在不到3.5秒的時間內(nèi)啟動到Linux用戶空間程序！

Linux內(nèi)核占用時間約為400毫秒（從引腳0到引腳1的差值）。總能耗為0.364 As * 5.0 V = 1.82 Ws，與原始Debian相比，能耗降低了5倍（原始Debian直到用戶空間需要9.5 Ws）。

降低輸入電壓

在發(fā)表這篇博文后，Graham Sutherland / Polynomial 指出，Pi Zero 中的調(diào)節(jié)器在5.0V輸入下效率不是很高。

這可能不適用于所有情況，但在我們的測試場景和成品中，我們可以將輸入電壓降至4.0V。

在5.0V下運行:

好好注意這里正在進行的單元。通過切換到4.0V(因為電流更高)，mC(毫庫侖/毫安培秒)增加，但是總能量顯著降低！

350.94mAs * 5.0V = 1.754 Ws

在4.0V下運行:

390.77mAs * 4.0V = 1.563 Ws

我們可以更進一步:

在3.6V運行:

399.60mAs * 3.6V = 1.438 Ws

我們剛剛又降低了20%的能耗，這僅僅是通過在更理想的工作點操作開關(guān)模式調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的！這當然需要進一步測試穩(wěn)定性/可靠性(因為這在技術(shù)上是不符合規(guī)格的)，但這是一個非常令人印象深刻的結(jié)果。