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문제 정의
- 본 논문에서의 임베디드 멀티미디어 장치의 주요 기능은 Mpeg 오디오 등의 음악 파일 재생, Mpeg 비디오 등의 동영상 파일 재생 그리고 디지털 멀티미디어 방송시청이 가능하게 하는 것이다. 음악과 동영상 재생 그리고 사용자 인터페이스(User Interface)를 위해 Tele- chips사의 TTC77N2기을 사용하였으며 디지털 데이타를 아날로그로 변환하는 오디오 코덱은 전력관리 유닛 (Power Management Unit)이 내장된 Austriamicro- systems 사의 AS3517[28] 을 사용하였다.
제안 방법
- 효율이 높아진다. LOD의 이러한 특징과 직류- 직류 변환기의 저 부하인 경우의 좋지 않은 효율을 고려하여 전원 레일을 설계 하였다.
- 음악과 동영상 재생 그리고 사용자 인터페이스(User Interface)를 위해 Tele- chips사의 TTC77N2기을 사용하였으며 디지털 데이타를 아날로그로 변환하는 오디오 코덱은 전력관리 유닛 (Power Management Unit)이 내장된 Austriamicro- systems 사의 AS3517[28] 을 사용하였다. TCC770 과 AS3517의 입출력 부의 전압이 동일하지 않기 때문에 상호 간의 통신을 위해서 별도의 레벨 시프터 (Lev 이가 lifter)를 추가로 사용하였다. 또한 디지털 멀티미디어방송 시청 기능을 위한 T-DMB 베이스밴드(Baseband) 디코더는 PNPNetwork사의 PN3030[29]를 사용하였고 동조기 (Tuner)는 Integrant Technology사의 ITD3010 [3이을 사용하였으며 비디오 디코딩을 위하여 C&S Technology사의 NEPTUNE[31]을 사용하였다.
- 소비하게 하였다. 그러나 본 논문에 적용된 가변전압 주파수 스케일링은 고정된 클럭 테이블에 의해서클럭 주파수를 변경 방법으로써 타 시스템에 적용 시프로세서의 부하를 계산하여 클럭 테이블을 다르게 만들어야 하는 단점이 있다. 향후 이러한 단점을 개선하기위해서 미리 정의된 클럭 테이블을 사용하지 않고 멀티미디어 데이타를 읽는 경우 프로세서의 부하를 한번만계산하여 자동으로 가변 전압 주파수 스케일링을 적용하는 연구가 필요하다.
- 그러나 클럭의 주파수가 낮아 프로세서의 부하가 적게 되면 전압을 낮추어도 동작하는 원리를 이용하여 전압을 낮추는 방법을 사용하였다. TCC770의 일반적인 프로세서 코어의 공급 전압은 L2V이나 최소 전압은 1.
- Neptune과 같은 경우 클럭 주파수를 가변하는 것이 불가능하게 설계된 프로세서이다. 디지털 멀티미디어 방송 시청을 위한 디지털 오디오 방송(Digital Audio Broadcasting) 수신 부로 데이타 수신과 디코딩만을 담당함으로써 클럭 주파수와 입력 전압을 가능한 가장 낮게 최적화시키는 방법을 사용하였다.
- TCC770 과 NETUNE 또한 입출력 부의 전압 차로 인하여 상호통신을 위하여 복합 프로그램 가능 논리 소자(Complex Programmable Logic Device)를 사용하였다. 물론 디지털 멀티미디어 방송시청과 음악 그리고 동영상 재생까지 모두 지원하는 마이크로 프로세서 또한 존재하나 각각의 기능에 따른 전력 소비를 최소화하기 위해서 마이크로 프로세서를 분할하였다. 이로 인해 음악과 동영상 재생 기능을 사용 시에는 NEPTUNE 프로세서를 끄는 것이 가능하게 되었고 각각의 기능을 위한 시스템의 소비전력을 최소화 할 수 있게 되었다.
- 본 논문에서 구현한 시스템은 음악파일 재생, 동영상파일 재생 그리고 디지털 멀티미디어 방송 시청 기능을가지고 있다. 한번 충전 후의 동작 시간을 최대로 늘리기 위해서 동작 모드에 따라 소비전력을 최적화 하는방법과 멀티미디어 데이타 재생 시에 태스크의 부하에따라 마이크로 프로세서 클럭 주파수와 공급 전압을 가변 하는 방법을 사용한다
- 우리는 30개의 동일 시스템을 구성하여 여러 차례의 실험을 통하여 이를 확인하였으며 적용하였다. 본 논문에서는 이를 이용하여 프로세서의 클럭 주파수가 낮은 경우에는 공급 전압을 L1V로 공급하고 주파수가 올라가면 L2V의 전압을 공급함으로써 가변 전압 로직을 구현하였다.
- FLUKE사의 NETDAQ2640A는 100mS 의 단위로 샘플링을 하고 소비전력 데이타를 계속적으로 저장하는 것이 가능하다. 시스템의 전류 측정을 위해배터리의 출력에 10 미리 옴의 저항올 사용하였고 시스템 내부에서 각각의 부하의 입력 부에 별도에 저항을 연결하여 각각의 부하가 소비하는 소비전력을 측정 하였다. 이러한 측정을 통해서 우리는 시스템 전체의 소비전력과 각각의 부하가 소비하는 전력 그리고 시스템의 손실을 계산 가능하다.
- 시스템의 전체적인 전력 관리를 위해 90%가 넘는 효율적인 전원 레일 설계, 각 기능에 따른 전원 관리, 그리고 마이크로 프로세서를 위한 가변 전압 주파수 스케일링을 적용하였다. 그림 7에서 보여지는 바와 같이 전력 관리를 적용한 시스템의 MP3 재생 시의 소비 전력은 54mW이나 전력 관리를 적용하지 않은 시스템의 소비 전력은 134mW이고 디지털 멀티미디어 방송 시청 시에는 전력 관리를 적용한 경우 887mW이나 전력 관리를 적용하지 않은 경우에는 1137mW 이다.
- 1V이다. 우리는 30개의 동일 시스템을 구성하여 여러 차례의 실험을 통하여 이를 확인하였으며 적용하였다. 본 논문에서는 이를 이용하여 프로세서의 클럭 주파수가 낮은 경우에는 공급 전압을 L1V로 공급하고 주파수가 올라가면 L2V의 전압을 공급함으로써 가변 전압 로직을 구현하였다.
- 전원 레일에 효율적인 구성을 위하여 5가지의 전원구성을 설계하였고 각각의 구성에 대한 효율을 계산 하였다 표 1은 효율과 전원 손실을 모두 계산한 결과 최적의 전원 레일 구성으로 선택된 결과이다. 효율 계산시 직류-직류 변환기의 효율은 90%로 계산하였다.
- 프로세서의 부하 계산에 따른 클럭 주파수 변경 방법의 단점을 개선하기 위해서 멀티미디어 태스크의 주기적인 특성을 고려하여 데이타의 헤더를 통해 부하를 한번만 계산하고 클럭의 주파수를 결정하는 방법을 사용한다.
- 있다. 한번 충전 후의 동작 시간을 최대로 늘리기 위해서 동작 모드에 따라 소비전력을 최적화 하는방법과 멀티미디어 데이타 재생 시에 태스크의 부하에따라 마이크로 프로세서 클럭 주파수와 공급 전압을 가변 하는 방법을 사용한다
대상 데이터
- TCC770 과 AS3517의 입출력 부의 전압이 동일하지 않기 때문에 상호 간의 통신을 위해서 별도의 레벨 시프터 (Lev 이가 lifter)를 추가로 사용하였다. 또한 디지털 멀티미디어방송 시청 기능을 위한 T-DMB 베이스밴드(Baseband) 디코더는 PNPNetwork사의 PN3030[29]를 사용하였고 동조기 (Tuner)는 Integrant Technology사의 ITD3010 [3이을 사용하였으며 비디오 디코딩을 위하여 C&S Technology사의 NEPTUNE[31]을 사용하였다. TCC770 과 NETUNE 또한 입출력 부의 전압 차로 인하여 상호통신을 위하여 복합 프로그램 가능 논리 소자(Complex Programmable Logic Device)를 사용하였다.
- 시스템에 크기를 고려하여 직류-직류 변환기 (DC-DC Converter) 4개와 LDO(Low Drop Out) 4개를 가지고 있는 전력관리 집적회로(Power Management Integrated Circuit)를 사용하였고 직류-직류 변환기가 내장되어 있는 충전 집적 회로(Charger IC)를 추가로 사용하였다. 효율적인 전원 공급을 고려하여 그림 1과 같이 전원 레일(Rail)을 구성 하였다.
- 가능하게 하는 것이다. 음악과 동영상 재생 그리고 사용자 인터페이스(User Interface)를 위해 Tele- chips사의 TTC77N2기을 사용하였으며 디지털 데이타를 아날로그로 변환하는 오디오 코덱은 전력관리 유닛 (Power Management Unit)이 내장된 Austriamicro- systems 사의 AS3517[28] 을 사용하였다. TCC770 과 AS3517의 입출력 부의 전압이 동일하지 않기 때문에 상호 간의 통신을 위해서 별도의 레벨 시프터 (Lev 이가 lifter)를 추가로 사용하였다.
이론/모형
- 또한 디지털 멀티미디어방송 시청 기능을 위한 T-DMB 베이스밴드(Baseband) 디코더는 PNPNetwork사의 PN3030[29]를 사용하였고 동조기 (Tuner)는 Integrant Technology사의 ITD3010 [3이을 사용하였으며 비디오 디코딩을 위하여 C&S Technology사의 NEPTUNE[31]을 사용하였다. TCC770 과 NETUNE 또한 입출력 부의 전압 차로 인하여 상호통신을 위하여 복합 프로그램 가능 논리 소자(Complex Programmable Logic Device)를 사용하였다. 물론 디지털 멀티미디어 방송시청과 음악 그리고 동영상 재생까지 모두 지원하는 마이크로 프로세서 또한 존재하나 각각의 기능에 따른 전력 소비를 최소화하기 위해서 마이크로 프로세서를 분할하였다.
성능/효과
- 데이타에서실제 전력 관리를 적용하지 않은 경우의 소비 전력 또한 이미 동일한 전원 레일 설계와 각 기능에 따른 전원관리가 적용된 상태의 데이타이므로 실제 이를 모두 비적용 했을 경우에 데이타는 더욱 많은 소비 전력의 차이를 보인다. 또한 마이크로 프로세서들의 전력 소모를 최소화하기 위하여 MP3 재생 시에 사용되는 TCC770에가변 전압 주파수 스케일링을 적용하여 그림 8과 같이 소비 전력을 68.6mW에서 15.3mW로 줄일 수 있었고 디지털 멀티미디어 방송 시청을 위한 NEPTUNE 프로세서에 클럭 주파수 최적화와 전압 최적화를 통해서 소비 전력을 359.8mW에서 280.4mW로 줄일 수 있었다. 림 9는 TCC770에 가변 전압 주파수 스케일링을 적용 후 MP3 재생 동작 중에 소비되는 소비 전력 데이타를보여준다.
- 4mW만을 소비한다. 또한 효율은 MP3 재생 시에 91%이고 디지털 멀티미디어 방송시청 시에 93%로 모든 동작모드에서 90%이상의 효율을 보이고 있다.
- 본 논문에서는 전원 레일을 효율적으로 설계, 휴대용임베디드 시스템의 각 기능에 따른 전력 관리 그리고프로세서에 입력 전압과 클럭 주파수 최적화 및 가변전압 주파수 스케일링을 적용함으로써 기존 대비 40% 의 전력을 소비하며 음악 재생을 가능하게 하였고, 디지털 멀티미디어 방송 시청 시에는 기존 대비 78%의 전력만을 소비하게 하였다. 그러나 본 논문에 적용된 가변전압 주파수 스케일링은 고정된 클럭 테이블에 의해서클럭 주파수를 변경 방법으로써 타 시스템에 적용 시프로세서의 부하를 계산하여 클럭 테이블을 다르게 만들어야 하는 단점이 있다.
- 또한클럭을 낮춤으로써 입력 전압을 L8V에서 L5V로 낮추는 것이 가능하게 되었다. 이로 인해 기존 타 시스템에적용한 소비전력 대비 78%로 줄이는 것이 가능하였다이는 다른 태스크는 고려하지 않고 오직 디지털 멀티미디어 방송 데이타의 수신과 디코딩만을 담당하게 함으로써 고정적인 클럭 최적화가 가능 할 수 있었다.
후속연구
- 그러나 본 논문에 적용된 가변전압 주파수 스케일링은 고정된 클럭 테이블에 의해서클럭 주파수를 변경 방법으로써 타 시스템에 적용 시프로세서의 부하를 계산하여 클럭 테이블을 다르게 만들어야 하는 단점이 있다. 향후 이러한 단점을 개선하기위해서 미리 정의된 클럭 테이블을 사용하지 않고 멀티미디어 데이타를 읽는 경우 프로세서의 부하를 한번만계산하여 자동으로 가변 전압 주파수 스케일링을 적용하는 연구가 필요하다.
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