作者： Tawfeeq Ahmad

動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié) (DVFS) 是一種復(fù)雜的電源管理技術(shù)，對于優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的性能和能效至關(guān)重要。DVFS 可根據(jù)工作負(fù)載需求動態(tài)調(diào)整處理器的電壓和頻率，從而有效降低功耗和發(fā)熱。這在電池供電和熱受限的環(huán)境中尤其重要，因為在這些環(huán)境中，能效和熱管理是關(guān)鍵因素。

這項技術(shù)的工作原理是降低處理器的頻率，從而直接減少功耗和發(fā)熱。同時，通過調(diào)節(jié)電壓確保處理器在各種性能狀態(tài)下都能保持穩(wěn)定并可靠運(yùn)行。這種動態(tài)調(diào)節(jié)有幾個主要優(yōu)勢：

1. 能效 ：DVFS 可顯著降低功耗，從而延長便攜式設(shè)備的電池續(xù)航時間。這使其成為依賴有限電源的移動和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備的重要功能。
2. 熱管理 ：通過降低發(fā)熱，DVFS 有助于維持設(shè)備的可靠性和性能。有效的熱管理可防止過熱，而過熱會導(dǎo)致硬件故障或性能下降。
3. 性能優(yōu)化 ：DVFS 通過在需要時提供必要的計算能力，同時在執(zhí)行要求不高的任務(wù)時節(jié)省能源，從而在性能和功耗之間取得平衡。這種平衡可確保設(shè)備高效運(yùn)行，而不會影響電源效率。

在 [i.MX 8M Plus 系統(tǒng)級模塊] (SoM) 上實施 DVFS，突出了其重要性、運(yùn)行機(jī)制以及利用此功能實現(xiàn)最佳性能和電源效率所需的步驟。通過了解和利用 DVFS，開發(fā)人員可以提高其嵌入式系統(tǒng)的能效和可靠性，使這些系統(tǒng)在各種應(yīng)用中更穩(wěn)健、更強(qiáng)大。

i.MX 8M Plus 系統(tǒng)級模塊概述

i.MX 8M Plus 系統(tǒng)級模塊 (SoM)（圖 1）以 [NXP] i.MX 8M Plus 應(yīng)用處理器為核心。該處理器采用強(qiáng)大的四核 [Arm] Cortex-A53 CPU，運(yùn)行速度高達(dá) 1.6 GHz，并輔以專為實時處理任務(wù)而設(shè)計的 Arm Cortex-M7 內(nèi)核。i.MX 8M Plus 有一個突出特點(diǎn)：該器件集成的神經(jīng)處理單元 (NPU) 能夠提供每秒 2.3 萬億次運(yùn)算 (TOPS)，顯著加快了機(jī)器學(xué)習(xí)推理任務(wù)的速度。

圖 1：iWave i.MX 8M Plus SoM。（圖片來源：iWave）

該 SoM 旨在通過提供廣泛的多媒體、連接和 AI 功能來滿足現(xiàn)代應(yīng)用程序的多樣化需求。這些特性使其適用于從工業(yè)自動化和機(jī)器人到智能家居設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品等應(yīng)用。

主要特性和功能：

• 處理能力：
  • 四核 Arm Cortex-A53 處理器，運(yùn)行頻率高達(dá) 1.6 GHz
  • Cortex-M7 內(nèi)核，用于處理實時處理任務(wù)
• AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)：
• 集成的 NPU，提供 2.3 TOPS 算力，加速機(jī)器學(xué)習(xí)推理過程
• 連接選項：
• 無線：
• 支持 Wi-Fi6，實現(xiàn)高速無線連接
• 藍(lán)牙 5.0，可與外圍設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定高效的無線通信
• 有線：
• 雙 CAN-FD（具有靈活數(shù)據(jù)速率的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）接口，在工業(yè)和汽車應(yīng)用中實現(xiàn)可靠的實時通信
• 以太網(wǎng)連接器，提供高速、確定性網(wǎng)絡(luò)解決方案
• 外設(shè)連接：
• USB 3.0 和 USB 2.0 端口，連接各種外設(shè)，確保提供靈活多樣的連接選項
• PCIe 3.0 插槽，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和擴(kuò)展選項
• 多媒體和顯示器：
• 雙 LVDS（低壓差分信號）接口，用于連接多臺顯示器~.~
• HDMI 2.0a TX 輸出，用于高清視頻輸出，支持 4K 分辨率
• 多個 MIPI 接口：
• 2 個 MIPI CSI（攝像頭串行接口）端口，用于高級攝像頭解決方案，實現(xiàn)高質(zhì)量圖像和視頻采集
• 1 個 MIPI DSI（顯示器串行接口）端口，用于高級顯示器解決方案，確保高性能視覺輸出

i.MX 8M Plus SoM 兼具強(qiáng)大的處理能力、廣泛的連接選項和先進(jìn)的多媒體功能，使其成為開發(fā)人員在各個行業(yè)中實現(xiàn)復(fù)雜、高性能應(yīng)用的多功能解決方案。無論是用于工業(yè)控制系統(tǒng)、智能家居設(shè)備還是先進(jìn)的多媒體應(yīng)用，i.MX 8M Plus SoM 都能提供滿足當(dāng)今苛刻的技術(shù)要求所需的靈活性和性能。

如何利用 i.MX 8M Plus 降低 CPU 頻率

利用 i.MX 8M Plus 降低 CPU 頻率涉及修改設(shè)備樹源 (DTS) 文件中的操作點(diǎn)表 (opp-table)。DTS 文件定義了系統(tǒng)的硬件配置，包括可用的 CPU 操作點(diǎn)，這些操作點(diǎn)決定了可能的 CPU 頻率及相應(yīng)的電壓水平。通過調(diào)整這些操作點(diǎn)，您可以控制 CPU 的最大和最小工作頻率（圖 2 和清單 1）。

圖 2：說明如何更改 CPU 工作頻率的流程圖。（圖片來源：iWave）

復(fù)制a53_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; 
                };

清單 1：設(shè)置 CPU 工作電壓和頻率的代碼。

這些命令可設(shè)置恒定的 CPU 頻率：

• 使用最大頻率：

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

• 使用當(dāng)前頻率作為恒定頻率：

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

• 如果支持，以下兩個命令可將縮放調(diào)節(jié)器設(shè)置為指定頻率。如果不支持該頻率，則使用最接近的支持頻率：

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

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

表 1：這些條目可為不同的操作狀態(tài)指定頻率-電壓對，使系統(tǒng)根據(jù)工作負(fù)載要求動態(tài)調(diào)整性能。

結(jié)語

通過使用 DVFS 電源管理技術(shù)，設(shè)計人員可以優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的性能和能效。DVFS 可根據(jù)工作負(fù)載需求動態(tài)調(diào)整處理器的電壓和頻率，從而有效降低功耗和發(fā)熱，這在電池供電和熱受限的環(huán)境中至關(guān)重要。

審核編輯 黃宇