Système sur module i.MX 8M Plus avec prise en charge DVFS pour les fréquences de processeur

L'ajustement dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS) est une technique sophistiquée de gestion de l'alimentation qui est essentielle pour optimiser les performances et le rendement énergétique des systèmes embarqués. En ajustant de manière dynamique la tension et la fréquence d'un processeur en fonction des demandes liées à la charge de travail, la technique DVFS réduit efficacement la consommation énergétique et la génération de chaleur. Cela s'avère particulièrement important dans les environnements alimentés par batterie et présentant des contraintes thermiques, où le rendement énergétique et la gestion thermique sont cruciaux.

La technique fonctionne en abaissant la fréquence du processeur, ce qui réduit directement l'utilisation d'énergie et la production de chaleur. Dans le même temps, l'ajustement de la tension garantit la stabilité du processeur et sa fiabilité à différents niveaux de performances. Cet ajustement dynamique offre plusieurs avantages clés :

1. Rendement énergétique : le DVFS réduit considérablement la consommation énergétique, ce qui étend l'autonomie des dispositifs portables. Cela en fait une fonctionnalité vitale pour les dispositifs mobiles et IoT qui dépendent de sources d'alimentation limitées.
2. Gestion thermique : en réduisant la génération de la chaleur, le DVFS aide à garantir la fiabilité et les performances des dispositifs. Une gestion thermique efficace empêche la surchauffe, qui pourrait entraîner des pannes matérielles ou une dégradation des performances.
3. Optimisation des performances : le DVFS équilibre les performances et la consommation d'énergie en fournissant la puissance de calcul nécessaire lorsqu'il le faut et en conservant de l'énergie lors des tâches moins exigeantes. Cet équilibre permet de s'assurer que les dispositifs fonctionnent de manière efficace sans compromettre le rendement énergétique.

L'implémentation du DVFS sur le système sur module (SoM) i.MX 8M Plus met en avant son importance, ses mécanismes de fonctionnement et les étapes à suivre pour tirer parti de cette fonctionnalité afin d'atteindre un niveau optimal de performances et de rendement énergétique. En comprenant et en utilisant le DVFS, les développeurs peuvent améliorer le rendement énergétique et la fiabilité de leurs systèmes embarqués, et ainsi les rendre plus robustes et plus efficaces dans différentes applications.

Présentation du système sur module i.MX 8M Plus

Le système sur module (SoM) i.MX 8M Plus (Figure 1) est basé sur le processeur d'applications i.MX 8M Plus de NXP. Ce processeur est doté d'un CPU Arm Cortex-A53 quadricœur puissant, qui peut fonctionner à des fréquences jusqu'à 1,6 GHz, et complété par un cœur Arm Cortex-M7 conçu pour les tâches de traitement en temps réel. L'une des fonctionnalités remarquables du système i.MX 8M Plus est son unité de traitement neuronal (NPU) intégrée, capable d'effectuer 2,3 mille milliards d'opérations par seconde (TOPS), ce qui permet d'accélérer considérablement les tâches d'inférences d'apprentissage automatique.

Figure 1 : Système sur module i.MX 8M Plus d'iWave. (Source de l'image : iWave)

Ce système sur module est conçu pour répondre aux divers besoins des applications modernes en offrant une vaste gamme de capacités multimédias, de connectivité et d'IA. Grâce à ces fonctionnalités, il est adapté à des applications s'étendant de l'automatisation industrielle à la robotique, en passant par les dispositifs de maison intelligente et l'électronique grand public.

Fonctionnalités clés et capacités :

• Puissance de traitement :
• Processeur Arm Cortex-A53 quadricœur fonctionnant jusqu'à 1,6 GHz
• Cœur Cortex-M7 pour les tâches de traitement en temps réel
• IA et apprentissage automatique :
• Unité de traitement neuronal intégrée effectuant 2,3 mille milliards d'opérations par seconde pour des inférences d'apprentissage automatique accélérées
• Options de connectivité :
• Sans fil :
• Prise en charge du Wi-Fi 6 pour une connectivité sans fil haut débit
• Bluetooth 5.0 pour une communication sans fil robuste et efficace avec les dispositifs périphériques
• Filaire :
• Double interface CAN-FD pour une communication fiable en temps réel dans les applications industrielles et automobiles
• Connecteurs Ethernet pour solutions réseau déterministes haute vitesse
• Connectivité périphérique :
• Ports USB 3.0 et USB 2.0 pour connecter divers périphériques, et garantir des options de connectivité flexibles et polyvalentes
• Logement PCIe 3.0 pour le transfert de données haute vitesse et les options d'expansion
• Multimédia et affichage :
• Double interface LVDS (signalisation différentielle basse tension) pour connecter plusieurs écrans.
• Sortie TX HDMI 2.0a pour un rendement vidéo haute définition, avec prise en charge de la résolution 4K
• Plusieurs interfaces MIPI :
• 2 ports MIPI CSI pour des solutions de caméra avancées, avec capture d'images et de vidéos haute qualité
• 1 port MIPI DSI pour des solutions d'affichage avancées, garantissant une sortie visuelle hautes performances

Avec sa combinaison de capacités de traitement puissantes, d'options de connectivité étendues et de fonctionnalités multimédias avancées, le système sur module i.MX 8M Plus est une solution polyvalente pour les développeurs qui cherchent à implémenter des applications hautes performances sophistiquées dans diverses industries. Que ce soit pour les systèmes de contrôle industriel, les dispositifs de maison intelligente ou les applications multimédias avancées, le système sur module i.MX 8M Plus offre la flexibilité et les performances nécessaires pour répondre aux exigences technologiques strictes d'aujourd'hui.

Comment réduire la fréquence CPU sur l'i.MX 8M Plus

La réduction de la fréquence du processeur sur le système i.MX 8M Plus implique la modification de la table de points de fonctionnement (opp-table) dans le fichier DTS (Device Tree Source). Le fichier DTS définit la configuration matérielle du système, notamment les points de fonctionnement disponibles pour le processeur, qui déterminent les fréquences possibles pour le processeur et les niveaux de tension correspondants. En ajustant ces points de fonctionnement, vous pouvez contrôler les fréquences maximale et minimale auxquelles fonctionne le processeur (Figure 2 et Liste 1).

Figure 2 : Organigramme indiquant la manière dont la fréquence de fonctionnement du processeur est modifiée. (Source de l'image : iWave)

Copiera53_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; 
                };

Liste 1 : Code pour définir la tension et la fréquence de fonctionnement du processeur.

Ces commandes définissent une fréquence de processeur constante :

• Utiliser la fréquence maximale :

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

• Utiliser la fréquence actuelle comme fréquence constante :

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

• Les deux commandes suivantes définissent le régulateur d'ajustement sur une fréquence spécifiée, si elle est prise en charge. Si la fréquence n'est pas prise en charge, la fréquence prise en charge la plus proche est utilisée :

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

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

Tableau 1 : Ces entrées spécifient les paires de fréquence/tension pour différents états opérationnels, ce qui permet au système d'ajuster les performances de manière dynamique en fonction des exigences de la charge de travail.

Résumé

En utilisant la technique de gestion de l'alimentation DVFS, les concepteurs peuvent optimiser les performances et le rendement énergétique des systèmes embarqués. La technique DVFS réduit efficacement la consommation d'énergie et la génération de chaleur en ajustant de manière dynamique la tension et la fréquence d'un processeur en fonction des exigences liées à la charge de travail, ce qui est primordial dans les environnements alimentés par batterie et soumis à des contraintes thermiques.