임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS

#한 줄 요약

“전력은 얼마나 빨리 sleep으로 가느냐가 90%를 결정합니다.” 다음 90%는 어떤 sleep mode를 고르고 어떤 peripheral을 꺼두느냐입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

배터리 IoT device, BLE beacon, sensor logger처럼 전원 빠진 후 수년을 돌아야 하는 펌웨어가 전형적입니다. CR2032 한 알(220 mAh)로 1년을 가게 하려면 평균 전류가 25 µA 이하여야 합니다. Active에서 5 mA를 쓰는 MCU가 99% 시간을 sleep으로 보내면 평균이 50 µA가 됩니다.

또 한 가지 상황은 자동차나 산업 device의 ECO 모드입니다. 전체 시간의 작은 부분만 active를 유지하면 thermal 설계가 단순해집니다.

#핵심 개념

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power 소비 = V × I = V × (I_active × t_active + I_sleep × t_sleep) / t_total

이 식에서 손댈 수 있는 축은 두 가지뿐입니다.

• t_sleep을 최대화합니다.
• I_sleep을 최소화합니다.

대표 ARM Cortex-M sleep 단계입니다.

각 칩별 mode는 datasheet의 “Power modes” 표가 가장 정확합니다.

Mode 전환 외에 자주 쓰는 절감 기법은 세 가지입니다.

• peripheral clock gating — 쓰지 않는 SPI/I2C/UART의 clock을 꺼서 µA 단위를 절약합니다.
• DVFS — 동적으로 voltage와 frequency를 낮춰 active power를 줄입니다.
• tickless idle — RTOS tick interrupt를 멈춰 sleep 시간을 늘립니다.

#코드 / 실제 사용 예

#WFI 한 줄로 시작

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int main(void) {
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    hw_init();
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    while (1) {
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        process_events();
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        __WFI();      /* Wait For Interrupt — CPU clock 멈춤 */
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    }
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}

WFI 한 줄만으로도 active 5 mA에서 sleep 1~2 mA로 떨어집니다. Idle hook에서 항상 호출합니다.

#Stop mode (STM32 예시)

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void enter_stop(void) {
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    PWR->CR1 |= PWR_CR1_LPMS_STOP1;
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    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
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    __WFI();
5
    SCB->SCR &= ~SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
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}

STM32 stop mode는 모든 clock을 끄고 RAM은 유지합니다. 깨어날 source(EXTI, RTC alarm)만 활성으로 두면 100 µA 이하로 떨어집니다.

#Standby mode (가장 깊은 sleep)

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void enter_standby(void) {
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    PWR->CR1 |= PWR_CR1_LPMS_STANDBY;
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    PWR->SCR |= PWR_SCR_CWUF1;
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    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
5
    __WFI();
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    /* RAM 잃음 — RTC backup register에 state 저장 */
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}

Standby는 reset과 비슷한 비용으로 깨어나지만 µA 수준 전력을 달성합니다. backup register에 wake-up 시 필요한 state만 미리 저장합니다.

#Peripheral clock gating

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/* 안 쓰는 peripheral의 clock을 끔 */
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RCC->APB1ENR &= ~(RCC_APB1ENR_USART2EN | RCC_APB1ENR_SPI3EN);
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RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2ENR_ADC1EN;
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/* 사용 직전에 다시 켬 */
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RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_USART2EN;
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USART2->BRR = 0x683;
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USART2->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE;

쓰지 않는 peripheral 한 개당 보통 수십 µA씩 줄어듭니다. 부팅 시 모두 끄고 사용 직전에 켜는 패턴이 표준입니다.

#Tickless idle (FreeRTOS)

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#define configUSE_TICKLESS_IDLE                 1
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#define configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP   2
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#define configPRE_SLEEP_PROCESSING(x)           hw_prepare_sleep(&(x))
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#define configPOST_SLEEP_PROCESSING(x)          hw_resume(x)
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void hw_prepare_sleep(uint32_t *xExpectedIdleTime) {
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    /* RTC alarm을 *xExpectedIdleTime ms 후로 설정 */
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    setup_rtc_wakeup(*xExpectedIdleTime);
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    SystemClock_Slow();          /* 8 MHz로 떨어뜨림 */
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}
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void hw_resume(uint32_t actual_sleep_ms) {
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    SystemClock_Fast();           /* 80 MHz로 복귀 */
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    vTaskStepTick(actual_sleep_ms);
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}

ms 단위로 sleep할 수 있을 때 tick interrupt를 끄고 RTC alarm으로 깨우면 평균 전류가 mA에서 µA로 떨어집니다.

#DVFS

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/* CPU가 한가할 때 frequency를 낮춤 */
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void cpu_set_freq(int mhz) {
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    if (mhz <= 8) {
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        switch_to_msi();              /* MSI 8 MHz */
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        voltage_scale(VOLTAGE_RANGE_2); /* 1.0 V */
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    } else {
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        switch_to_pll();              /* PLL 80 MHz */
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        voltage_scale(VOLTAGE_RANGE_1); /* 1.2 V */
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    }
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}

전력은 P = C × V² × f이므로 voltage 0.83x + frequency 0.1x이면 전력이 약 7%로 떨어집니다.

#µA-level 측정

µA 단위 측정은 multimeter로는 불가능합니다. 전용 power profiler가 필요합니다.

#Pin float 방지

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/* unused GPIO는 input + pull-down 또는 push-pull output low로 */
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configure_unused_pins_to_pulldown();

floating input은 noise로 input buffer가 진동해 µA가 새어 나옵니다. 모든 GPIO는 명시적 상태로 설정합니다.

#측정 / 성능 비교

대표 BLE sensor의 평균 전류 측정값입니다.

각 단계가 한 자릿수씩 개선됩니다. 누적이 중요합니다.

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DVFS 효과
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80 MHz, 1.2 V                    5 mA
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8 MHz, 1.0 V                     400 µA

clock과 voltage를 함께 낮추는 것이 핵심입니다.

#자주 보는 함정

Idle hook 없이 busy loop

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while (1) { do_things(); }    /* WFI 없음 */

idle hook에 WFI 한 줄이 mA 단위 차이를 만듭니다. 항상 켭니다.

Peripheral clock을 모두 켜둠

1
RCC->APB1ENR = 0xFFFFFFFF;    /* 다 켜져 있음 */

부팅 시 모두 끄고 driver init 시 켭니다. 사용 안 한 채로 켜져 있으면 µA가 새어 나옵니다.

Wake-up source 너무 많음

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EXTI->IMR1 = 0xFFFFFFFF;    /* 모든 EXTI 활성 */

active state로 wake가 너무 자주 일어나면 sleep 효과가 사라집니다. 정말 필요한 line만 활성으로 둡니다.

Stop mode 후 clock 미복원

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enter_stop();
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USART2->DR = 'X';     /* 그러나 USART clock이 아직 reset 상태 */

stop mode에서 깨어나면 일부 clock이 default로 돌아가 있습니다. 깨어난 직후 system clock과 peripheral clock을 재설정합니다.

µA를 multimeter로 측정

일반 DMM은 0.1 µA 단위라 noise 때문에 결과가 부정확합니다. 전용 power profiler를 사용해야 µA 정밀도가 나옵니다.

#정리

• 전력 절감의 핵심은 sleep 시간을 최대화하는 것입니다.
• WFI 한 줄만으로도 mA 단위가 줄어듭니다.
• Stop mode와 standby mode는 µA 수준 전력을 달성합니다.
• Peripheral clock gating은 µA 단위 누적 효과가 큽니다.
• Tickless idle은 RTOS 환경의 표준 절전입니다.
• DVFS로 active 전력 자체를 줄일 수 있습니다.
• 측정은 multimeter가 아닌 전용 power profiler로 합니다.
• 부팅 시 모든 unused peripheral과 floating pin을 명시적으로 처리합니다.

다음 편은 WCET 분석입니다. Worst-case execution time과 cache 영향을 다룹니다.

#관련 항목

• PRTOS 2-09: Tickless
• 6-03: Scheduler 동작 이해
• 8-10: 코드 크기 최적화
• 8-12: WCET 분석
• PE 3-09: Power vs Performance