树莓派4B中降低软件PWM的CPU占用率方案咨询

我在树莓派4B上使用C语言的pigpio库，在GPIO引脚5、6、19、26上生成4路8kHz的软件PWM信号，用于控制连接执行器的BTS7960 43A大功率电机驱动模块。目前已成功实现电机的可变占空比控制，但即使控制器无动作时CPU占用率仍高达107%。

软件启动时仅初始化gpioSetPWMfrequency和gpioSetPWMrange函数，在需要改变引脚占空比的循环中调用gpioPWM函数。根据pigpio文档，其采用DMA访问，现寻求降低CPU占用率的方法，以及更合适的替代库。

伪代码如下：

#include <pigpio.h>
// 电机1引脚定义
static const int kiShieldFwdPWMIOPin = 5;//21;     // 前进PWM引脚
static const int kiShieldBackPWMPin = 6;//22;      // 后退PWM引脚
static const int kiShieldENIOPin = 13;//23;        // 使能引脚

// 电机2引脚定义
static const int kiColumnFwdPWMIOPin = 19;//24;    // 前进PWM引脚
static const int kiColumnBackPWMIOPin = 26;//25;   // 后退PWM引脚
static const int kiColumnENIOPin = 12;//26;         // 使能引脚

void setup(){
    // 初始化PWM频率为8kHz
    gpioSetPWMfrequency(kiShieldFwdPWMIOPin,8000);
    gpioSetPWMfrequency(kiShieldBackPWMPin,8000);
    gpioSetPWMfrequency(kiColumnFwdPWMIOPin,8000);
    gpioSetPWMfrequency(kiColumnBackPWMIOPin,8000);
   
    // 设置PWM范围为0-100（对应占空比0%-100%）
    gpioSetPWMrange(kiShieldFwdPWMIOPin, 100);
    gpioSetPWMrange(kiShieldBackPWMPin, 100);
    gpioSetPWMrange(kiColumnFwdPWMIOPin, 100);
    gpioSetPWMrange(kiColumnBackPWMIOPin, 100);
}

void BerryController::move(STATE state, DIRECTION direction, const int &pwmValue){
    switch (state)
    {
    case STATE::Shield:
        switch (direction)
        {
        case DIRECTION::Open:
            gpioPWM(kiShieldBackPWMPin,PI_LOW);
            gpioPWM(kiShieldFwdPWMIOPin,pwmValue);
            break;
        case DIRECTION::Close:
            gpioPWM(kiShieldBackPWMPin,pwmValue);
            gpioPWM(kiShieldFwdPWMIOPin,PI_LOW);
            break;
        case DIRECTION::Stop:        
            gpioPWM(kiShieldFwdPWMIOPin,PI_LOW);
            gpioPWM(kiShieldBackPWMPin,PI_LOW);
            break;
        default:
            break;
        }
        break;
    case STATE::Column:
        switch (direction)
        {
        case DIRECTION::Open:                     
            gpioPWM(kiColumnBackPWMPin,PI_LOW);
            gpioPWM(kiColumnFwdPWMIOPin, pwmValue);
            break;
        case DIRECTION::Close:                    
            gpioPWM(kiColumnFwdPWMIOPin,PI_LOW);
            gpioPWM(kiColumnBackPWMPin, pwmValue);
            break;
        case DIRECTION::Stop:
            gpioPWM(kiColumnFwdPWMIOPin,PI_LOW);
            gpioPWM(kiColumnBackPWMPin,PI_LOW);
            break;
        default:
            break;
        }
        break;
    default:
        break;
    }
}

当前CPU占用率为107%

降低CPU占用率的方法 #

1. 切换到硬件PWM引脚 #

树莓派4B的硬件PWM由片上硬件生成，无需CPU持续干预，占用率极低。你当前使用的引脚中仅GPIO19是硬件PWM引脚，其余5、6、26均为软件模拟PWM。建议更换为以下硬件PWM引脚：

• GPIO12（PWM通道0）
• GPIO13（PWM通道1）
• GPIO18（PWM通道0）
• GPIO19（PWM通道1）

更换引脚后，pigpio会自动使用硬件PWM模式，CPU占用率会大幅下降。

2. 优化pigpio调用逻辑 #

• 避免重复调用gpioPWM：如果循环中频繁调用gpioPWM（即使占空比未变化），会产生不必要的开销。可以为每个引脚维护一个当前占空比的缓存变量，仅当新值与缓存值不同时才调用gpioPWM。示例修改：

// 新增缓存变量
static int currentShieldFwdPWM = PI_LOW;
static int currentShieldBackPWM = PI_LOW;
static int currentColumnFwdPWM = PI_LOW;
static int currentColumnBackPWM = PI_LOW;

void BerryController::move(STATE state, DIRECTION direction, const int &pwmValue){
    switch (state)
    {
    case STATE::Shield:
        switch (direction)
        {
        case DIRECTION::Open:
            if (currentShieldBackPWM != PI_LOW) {
                currentShieldBackPWM = PI_LOW;
                gpioPWM(kiShieldBackPWMPin, PI_LOW);
            }
            if (currentShieldFwdPWM != pwmValue) {
                currentShieldFwdPWM = pwmValue;
                gpioPWM(kiShieldFwdPWMIOPin, pwmValue);
            }
            break;
        // 其余case同理修改
        }
        break;
    // 其余state同理修改
    }
}

• 使用pigpio守护进程模式：通过pigpiod启动守护进程，程序通过socket与守护进程通信，而非直接操作硬件，能进一步降低CPU占用。编译时链接pigpio库改为链接pigpiod_if2库，调用相关接口。

3. 调整PWM参数 #

8kHz的频率对于软件PWM来说较高，若业务允许，可适当降低PWM频率（比如降至2kHz-5kHz），能减少软件模拟的CPU开销。

替代库推荐 #

1. bcm2835库 #

直接操作BCM2835芯片寄存器，底层高效，支持硬件PWM配置，几乎无CPU占用，适合对性能要求极高的场景。

2. libgpiod #

Linux官方推荐的GPIO操作库，基于字符设备接口，支持硬件PWM，API规范且现代，适配最新树莓派系统。

3. wiringPi #

虽然已停止维护，但对树莓派4B兼容性良好，硬件PWM调用简单，CPU占用低，适合快速开发。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者BhavinT