Compatibilidad de la DVFS del SoM i.MX 8M Plus para frecuencias de la CPU

La escala dinámica de voltaje y frecuencia (DVFS) es una técnica sofisticada de administración de energía fundamental para optimizar el rendimiento y la eficiencia energética en sistemas integrados. Al ajustar dinámicamente el voltaje y la frecuencia de un procesador según las demandas de carga de trabajo, la DVFS reduce de manera efectiva el consumo de energía y la generación de calor. Esto es especialmente importante en entornos que funcionan a batería y tienen limitaciones térmicas, donde la eficiencia energética y la administración térmica son primordiales.

La técnica funciona mediante la reducción de la frecuencia del procesador, lo que disminuye directamente el uso de energía y la producción de calor. Al mismo tiempo, el ajuste del voltaje garantiza que el procesador siga siendo estable y funcione de manera confiable en varios estados de rendimiento. Este ajuste dinámico ofrece varios beneficios clave:

1. Eficiencia energética: La DVFS reduce significativamente el consumo de energía, por lo que extiende la vida útil de la batería de los dispositivos portátiles. Esto hace que sea una función vital en los dispositivos móviles y de IoT que dependen de fuentes de energía limitadas.
2. Administración térmica: Al reducir la generación de calor, la DVFS ayuda a mantener la confiabilidad y el rendimiento de los dispositivos. La administración térmica efectiva previene el sobrecalentamiento, que de otro modo podría producir fallas de hardware o degradar el rendimiento.
3. Optimización del rendimiento: La DVFS equilibra el rendimiento y el consumo de energía al brindar la potencia computacional necesaria cuando se requiere y, a su vez, conservar la energía durante las tareas menos demandantes. Este equilibrio garantiza que los dispositivos puedan rendir de manera eficiente sin comprometer la eficiencia energética.

La implementación de la DVFS en el sistema en módulo (SoM) i.MX 8M Plus resalta su importancia, sus mecanismos operativos y los pasos requeridos para aprovechar esta función y alcanzar un rendimiento y una eficiencia energética óptimos. Al entender y utilizar la DVFS, los desarrolladores pueden mejorar la eficiencia energética y la confiabilidad de sus sistemas integrados, logrando que sean más resistentes y aptos para varias aplicaciones.

Descripción general del SoM i.MX 8M Plus

El sistema en módulo (SoM) i.MX 8M Plus (Figura 1) está construido en torno al procesador de aplicaciones NXP i.MX 8M Plus. Este procesador cuenta con una unidad central de procesamiento (CPU) Arm Cortex-A53 de cuatro núcleos que puede funcionar a velocidades de hasta 1.6 GHz, y está complementado por un núcleo Arm Cortex-M7 diseñado para tareas de procesamiento en tiempo real. Una de las características destacadas de i.MX 8M Plus es su unidad de procesamiento neural integrada (NPU), capaz de producir 2.3 billones de operaciones por segundo (TOPS), acelerando de manera significativa las tareas de inferencia de aprendizaje automático.

Figura 1: SoM i.MX 8M Plus iWave (Fuente de la imagen: iWave)

Este SoM está diseñado para satisfacer las necesidades diversas de las aplicaciones modernas, ofreciendo una amplia gama de capacidades multimedia, de conectividad e IA. Estas características lo hacen ideal para aplicaciones que van desde la automatización industrial y la robótica hasta los dispositivos domésticos inteligentes y la electrónica de consumo.

Características y capacidades clave:

• Potencia de procesamiento:
• Procesador Arm Cortex-A53 de cuatro núcleos que funciona hasta 1.6 GHz
• Núcleo Cortex-M7 para tareas de procesamiento en tiempo real
• IA y aprendizaje automático:
• NPU integrado que produce 2.3 TOPS para una inferencia de aprendizaje automático acelerado.
• Opciones de conectividad:
• Inalámbrico:
• Compatible con wifi 6 para una conectividad inalámbrica de alta velocidad
• Bluetooth 5.0 para comunicación inalámbrica resistente y eficiente con dispositivos periféricos
• Con cable:
• Doble CAN-FD (red de área de controlador con velocidad de datos flexible) para una comunicación confiable en tiempo real en aplicaciones industriales y automotrices
• Conectores Ethernet para soluciones de redes deterministas de alta velocidad
• Conectividad periférica:
• Puertos USB 3.0 y USB 2.0 para conectar una variedad de periféricos que garantizan opciones de conectividad flexibles y versátiles
• Ranura PCIe 3.0 para opciones de transferencia y expansión de datos de alta velocidad
• Multimedia y pantalla:
• Interfaces dobles de tecnología de señal diferencial de bajo voltaje (LVDS) para conectar varias pantallas.
• Salida HDMI 2.0a TX para salida de video de alta definición, compatible con resolución de 4K
• Múltiples interfaces MIPI:
• 2 puertos MIPI de interfaz serial de la cámara (CSI) para soluciones de cámara avanzadas, que permiten captura de imágenes y video de alta calidad
• 1 puerto MIPI de interfaz serial de pantalla (DSI) para soluciones de pantalla avanzadas, que garantiza un alto rendimiento visual

La combinación que ofrece SoM i.MX 8M Plus con capacidades de procesamiento poderosas, amplias opciones de conectividad y características multimedia avanzadas lo convierten en una solución versátil para desarrolladores que buscan implementar aplicaciones sofisticadas de alto rendimiento en una variedad de industrias. Ya sea para sistemas de control industrial, dispositivos domésticos inteligentes o aplicaciones multimedia avanzadas, SoM i.MX 8M Plus ofrece la flexibilidad y el rendimiento necesarios para satisfacer los exigentes requisitos tecnológicos de la actualidad.

Cómo reducir la frecuencia de la CPU en i.MX 8M Plus

Reducir la frecuencia de la CPU en el i.MX 8M Plus implica modificar la tabla de puntos operativos (opp-table) en el archivo Fuente de árbol de dispositivos (DTS). El archivo DTS define la configuración de hardware del sistema, incluidos los puntos operativos de la CPU disponibles que determinan las posibles frecuencias de la CPU y los niveles de voltaje correspondientes. Al ajustar estos puntos operativos, se pueden controlar las frecuencias máxima y mínima a las que funciona la CPU (Figura 2 y Lista 1).

Figura 2: Diagrama de flujo para indicar cómo cambia la frecuencia operativa de la CPU (Fuente de la imagen: iWave)

Copiara53_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; 
                };

Listado 1: Código para establecer el voltaje y la frecuencia operativos de la CPU

Estos comandos establecen una frecuencia de CPU constante:

• Usar la frecuencia máxima:

rendimiento de eco > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

• Usar la frecuencia actual como frecuencia constante:

espacio de usuario de eco > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

• Los siguientes dos comandos establecen el regulador de escala a una frecuencia especificada si es compatible. Si la frecuencia no es compatible, se utiliza la frecuencia compatible más cercana:

espacio de usuario de eco > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

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

Tabla 1: En estas entradas, se especifican los pares frecuencia-voltaje para diferentes estados operativos, lo que permite al sistema ajustar dinámicamente el rendimiento según los requisitos de carga de trabajo.

Resumen

Al utilizar la técnica de administración de energía DVFS, los diseñadores pueden optimizar el rendimiento y la eficiencia energética en sistemas integrados. La DVFS reduce de manera efectiva el consumo de energía y la generación de calor al ajustar dinámicamente el voltaje y la frecuencia de un procesador según las demandas de carga de trabajo, lo cual es de importancia fundamental en entornos que funcionan a batería y que cuentan con limitaciones térmicas.