i.MX 8M Plus 시스템 온 모듈 DVFS의 CPU 주파수 지원

동적 전압 및 주파수 비율 조정(DVFS)은 임베디드 시스템에서 성능 및 에너지 효율을 최적화하는 데 필수적인 정교한 전력 관리 기술입니다. DVFS에서는 워크로드 수요를 기준으로 프로세서의 전압과 주파수를 동적으로 조정하여 전력 소비와 열 발생을 효율적으로 줄입니다. 이는 에너지 효율 및 열 관리가 중요한, 배터리로 구동되고 열적 제약이 있는 환경에서 특히 중요합니다.

DVFS는 프로세서의 주파수를 줄여서 전력 사용량과 열 발생을 직접적으로 줄이는 방식으로 작동합니다. 동시에 전압을 조정하여 프로세서가 다양한 성능 상태에서 안정적으로 유지되고 작동하도록 합니다. 이 동적 조정은 몇 가지 주요 이점을 제공합니다.

1. 에너지 효율: DVFS는 전력 소비를 크게 줄여서 휴대용 장치의 배터리 수명을 연장합니다. 따라서 제한된 전원을 사용하는 모바일 및 IoT 장치에 중요한 기능입니다.
2. 열 관리: DVFS를 사용하면 열 발생을 줄여서 장치의 신뢰성과 성능을 유지할 수 있습니다. 효율적인 열 관리를 통해 하드웨어 고장 또는 성능 저하로 이어질 수 있는 과열을 방지합니다.
3. 성능 최적화: DVFS는 까다롭지 않은 작업을 수행하는 동안 에너지를 절약하면서 필요할 때 필수 컴퓨팅 전력을 공급하여 성능과 전력 사용의 균형을 조정합니다. 이 균형 조정을 통해 장치는 전력 효율적으로 작동할 수 있습니다.

i.MX 8M Plus 시스템 온 모듈(SoM)에서는 DVFS를 구현하여 DVFS의 중요성, 작동 메커니즘, 최적의 성능과 전력 효율을 달성하기 위해 DVFS을 활용하는 데 필요한 단계를 강조합니다. 개발자는 DVFS를 이해하고 활용하여 임베디드 시스템의 에너지 효율과 신뢰성을 개선함으로써 다양한 응용 분야에서 더욱 견고하고 뛰어난 성능을 발휘할 수 있습니다.

i.MX 8M Plus 시스템 온 모듈 개요

i.MX 8M Plus 시스템 온 모듈(SoM)(그림 1)은 NXP i.MX 8M Plus 응용 프로세서를 기반으로 제작됩니다. i.MX 8M Plus 응용 프로세서에는 최대 1.6GHz의 속도로 작동할 수 있는 강력한 쿼드 코어 Arm Cortex-A53 CPU가 탑재되어 있으며, 실시간 처리 작업을 수행하도록 설계된 Arm Cortex-M7 core로 보완됩니다. i.MX 8M Plus의 눈에 띄는 특징 중 하나는 2.3TOPS를 지원하여 머신 러닝 추론 작업을 크게 가속할 수 있는 통합 신경 처리 장치(NPU)입니다.

그림 1: iWave i.MX 8M Plus SoM (이미지 출처: iWave)

iWave i.MX 8M Plus SoM은 다양한 멀티미디어, 연결 및 AI 기능을 제공하여 현대 응용 분야의 다양한 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다. 이러한 특징으로 인해 산업 자동화, 로봇 공학, 스마트 홈 장치, 소비자 가전 등 다양한 응용 분야에 적합합니다.

주요 특징 및 기능:

• 처리 성능:
• 쿼드 코어 Arm Cortex-A53 프로세서 - 최대 1.6GHz로 실행
• Cortex-M7 core - 실시간 처리 작업 수행
• AI 및 머신 러닝:
• 통합 NPU - 2.3TOPS를 지원하여 머신 러닝 추론 가속화
• 연결 옵션:
• 무선:
• Wi-Fi 6 - 고속 무선 연결 지원
• Bluetooth 5.0 - 주변 장치와의 강력하고 효과적인 무선 통신 지원
• 유선:
• 이중 CAN-FD(유연한 데이터 전송률을 갖춘 CAN) 인터페이스 - 산업 및 자동차 응용 분야에서 안정적인 실시간 통신 지원
• 이더넷 커넥터 - 고속 결정적 네트워킹 솔루션 지원
• 주변 장치 연결:
• USB 3.0 및 USB 2.0 포트 - 유연하고 다양한 연결 옵션을 보장하여 다양한 주변 장치 연결
• PCIe 3.0 슬롯 - 고속 데이터 전송 및 확장 옵션 지원
• 멀티미디어 및 디스플레이:
• 이중 LVDS(저전압 차동 신호) 인터페이스 - 여러 디스플레이 연결.
• HDMI 2.0a TX 출력 - 고화질 동영상 출력, 4K 해상도 지원
• 여러 MIPI 인터페이스:
• MIPI CSI(카메라 직렬 인터페이스) 포트 2개 - 고급 카메라 솔루션용, 고품질 이미지 및 동영상 캡처 지원
• MIPI DSI(디스플레이 직렬 인터페이스) 포트 1개 - 고급 디스플레이 솔루션용, 고성능 시각적 출력 보장

다양한 산업에서 정교한 고성능 응용 제품을 구현하려는 개발자는 강력한 처리 기능, 확장 연결 옵션 및 고급 멀티미디어 기능을 조합한 i.MX 8M Plus SoM를 다목적 솔루션으로 사용할 수 있습니다. 산업 제어 시스템, 스마트 홈 장치, 고급 멀티미디어 응용 제품 등에서 i.MX 8M Plus SoM을 사용하면 오늘날의 까다로운 기술 요구 사항을 충족하는 데 필요한 유연성과 성능을 확보할 수 있습니다.

i.MX 8M Plus에서 CPU 주파수를 줄이는 방법

i.MX 8M Plus에서 CPU 주파수를 줄이려면 DTS(Device Tree Source) 파일에서 작동 지점 테이블(opp-table)을 수정해야 합니다. DTS 파일은 가능한 CPU 주파수 및 해당 전압 레벨을 결정하는 시스템의 하드웨어 구성(사용 가능한 CPU 작동 지점 포함)을 정의합니다. 이러한 작동 지점을 조정하여 CPU가 작동하는 최대 및 최소 주파수를 제어할 수 있습니다(그림 2 및 목록 1).

그림 2: CPU 작동 주파수가 어떻게 변경되는지를 보여주는 흐름도 (이미지 출처: iWave)

복사a53_opp_table:opp-table 
{ 
               compatible=“operating-points-v2”; 
                opp-shared; 
                opp-100000000 { 
                        opp-hz = /bits/ 64 <100000000>; 
                        opp-microvolt = <850000>; 
                        opp-supported-hw = <0x8a0>, <0x7>; 
                        clock-latency-ns = <150000>; 
                        opp-suspend; 
                }; 
                opp-200000000 { 
                        opp-hz = /bits/ 64 <200000000>; 
                        opp-microvolt = <850000>; 
                        opp-supported-hw = <0x8a0>, <0x7>; 
                        clock-latency-ns = <150000>; 
                        opp-suspend; 
                }; 
                opp-800000000 { 
                        opp-hz = /bits/ 64 <800000000>; 
                        opp-microvolt = <850000>; 
                        opp-supported-hw = <0x8a0>, <0x7>; 
                        clock-latency-ns = <150000>; 
                        opp-suspend; 
                }; 
                opp-1000000000 { 
                        opp-hz = /bits/ 64 <1000000000>;
                        opp-microvolt = <850000>; 
                        opp-supported-hw = <0x8a0>, <0x7>; 
                        clock-latency-ns = <150000>; 
                        opp-suspend; 
                };

목록 1: CPU 작동 전압 및 주파수를 설정하기 위한 코드.

다음은 CPU 정주파를 설정하는 명령입니다.

• 최대 주파수 사용:

echo performance > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

• 현재 주파수를 정주파로 사용:

echo userspace > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

• 다음 두 명령은 비율 조정 관리자를 지정된 주파수(지원되는 경우)로 설정합니다. 주파수가 지원되지 않는 경우 지원되는 가장 가까운 주파수가 사용됩니다.

echo userspace > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

echo <frequency> > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_setspeed

표 1: 이러한 항목은 다양한 작동 상태에 대한 주파수-전압 쌍을 지정하여 시스템에서 워크로드 요구 사항에 따라 성능을 동적으로 조정할 수 있도록 합니다.

요약

설계자는 DVFS 전력 관리 기술을 사용하여 임베디드 시스템에서 성능 및 에너지 효율을 최적화할 수 있습니다. DVFS를 사용하면 워크로드 수요에 따라 프로세서의 전압과 주파수를 동적으로 조정하여 전력 소비와 열 발생을 효율적으로 줄일 수 있습니다. 이는 배터리로 구동되고 열적 제약이 있는 환경에서 중요한 기능입니다.