CN102301307A - 用于控制最优时钟和电压切换的分布式表格驱动电源模式计算 - Google Patents

Abstract

用于针对片上***(SoC)计算最优电源模式的方法，其中控制时钟和Vdd设置。来自硬件模块的信息合成到针对整个SoC的全局电源模式中。时钟可以被禁用或启用，Vdd电压可以被禁用、可以设置在标称操作电平、并且可以设置在保持存储器和寄存器的状态的保持电平。

Description

用于控制最优时钟和电压切换的分布式表格驱动电源模式计算

对相关申请的交叉引用

本申请要求2008年12月31日提交的美国专利申请No.12/347,008的优先权，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及对片上***(SoC)的电源模式进行计算和控制的方法。具体来说，本发明涉及SoC的全局电源管理。

背景技术

随着能源成本的持续增加，全局电源管理变得越来越重要。另外，通过在可能包含移动应用和便携式媒体播放器的应用中降低功耗并延长电池寿命，电源控制管理提供了在无需增大电池容量和设备尺寸的情况下增强功能性的能力。半导体的全局电源管理是预期在不远的将来具有显著增长的市场。

近来已经出现控制半导体的电源模式的尝试。例如，在开放多媒体应用平台(OMAP)中，德州仪器微处理器(更具体来说是OMAP3)所使用的一种机制，其可在Linux中获得，称为“CPUidle”。“CPUidle”利用可能的全局电源模式的表格进行初始化，并且包括多种属性，CPUidle可以基于这些属性确定何时从一种电源模式切换至另一种电源模式。CPUidle框架包括：管理器(governor)，其决定***的目标状态C；CPUidle驱动器，其操作于(populate)***支持的C状态并且实现各种功能以转换至C状态；和通用CPUidle框架，每当调用(call)空闲循环时，该通用CPUidle框架调用当前的管理器来决定***的目标状态C。该通用CPUidle框架还调用当前的驱动器以转换至管理器所选择的C状态。

另外，已知每个驱动器在登记至Linux驱动器模块(LDM)之后实现挂起/恢复。驱动器释放时钟，随后在挂起调用中保存相关数据，并且当调用“恢复”时恢复这些数据。此外，已经释放其时钟并且保存了相关数据的驱动器在其挂起调用中不需要做任何动作。

不过，全局(自上而下)电源管理控制器的一个问题是该控制器必须询问关于SoC当前状态的大量数据，以决定哪种电源模式是最合适的。例如，当询问这种信息时，实际上需要关于SoC的全部细节(例如所有外部设备的地址映射等)。

如果同时管理时钟和Vdd，则无法使用简单的基准计数。例如，当Vdd的基准计数在前次递减之后到达零，则Vdd一定不能被禁用。当Vdd＝0时，所有硬件模块的状态(寄存器)都将丢失。因此在禁用Vdd之前需要保存状态。这种保存需要时间，并且对于当基准计数到达零时是否禁用Vdd的决定必须考虑与保存所用时间相比期望的空闲时间有多长。

一般来说，禁用时钟通常是个好主意，因为仅需要占用几个周期。不过，禁用Vdd需要更复杂的权衡以及需要进行转换所占用的周期成本。另外，如果SoC具有嵌入式Vdd开关，则该权衡会更复杂。例如存在如下情况，其中两个硬件模块(A和B)均具有相同的Vdd电源，但A还具有Vdd开关。于是，通过断开开关或者使Vdd变为零(或二者)能够使A断电。

因此，本领域需要针对时钟和电压切换的改进***和方法，使得能够针对电源状态来管理时钟、Vdd、和嵌入式Vdd开关，从而能够禁用或关闭前述的时钟、Vdd、和嵌入式Vdd开关。

发明内容

本发明通过提供用于模块和电压切换的分布式表格驱动模式计算来解决本领域的需求。能够有利地针对电源状态来管理时钟、Vdd、和嵌入式Vdd开关，从而能够禁用或关闭前述模块。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的基本算法的描述；

图2是根据本发明一个实施例的树状层次的负载示图；

图3是根据本发明一个实施例的片上***和负载控制的示图；

图4是根据本发明一个实施例的片上***和电源管理的另一个示图；和

图5是例示了根据本发明一个实施例的示例方法步骤的流程图。

具体实施方式

在本发明的一个示例方面，片上***被分成最多具有一个时钟、一个Vdd、和一个嵌入式开关的多个硬件模块。当负载活动(active)时，只能存在一种活动的电源状态。当负载空闲时，可以处在任何电源状态。

表1

表1是根据本发明的示例性转换表，其中行表示电源状态，各列表示电源管理资源(在此示例中为时钟、Vdd、和开关)。在此转换表中，第一行对应于活动电源状态，第二行对应于待命状态，第三行对应于保持状态，第四和第五行对应于断电状态。

继续参照表1，该转换表中的每一行具有多个属性：

(a)益处值：表示转换到该行所代表的电源状态/模式的“有益”程度。益处不是个绝对值(例如能够节省的毫瓦特量)，而是相对概念。通常应当选择具有最大益处值的行。

(b)断电等待时间：在实际转换至该行所代表的电源模式之前执行状态保存操作所需的计算周期的数量；

(c)唤醒等待时间：在恢复计算之前执行状态恢复操作所需的计算周期的数量。

当把一个表中的行与另一表的行相结合时，结合后的属性值是单个属性的总和。

图1A和图1B例示了根据本发明的基本算法的有效计算模式转换。负载可以处在多个不同的状态中。通过对多个状态进行组合来得到负载集合的有效模式，以使得不构成电源管理资源的冲突。例如，如果存在需要相同时钟的硬件IP，则该时钟不可禁用。如果在***级存在多个可用模式，则选择其中一个模式。图1B示出了均被激活115和均被停用120的CPU 105和负载L1 110。

如图2所示，电源负载205被组织在树状层次中，其中叶片是电源负载，树代表由负载的集合组成的子***。树的根210代表整个SoC。在电源管理框架(PMFW)内部，负载是树状层次的叶片。通过合并中间节点的子节点的转换表来计算中间节点的模式转换表。层次的构成对于转换表的计算复杂度具有影响。例如：不具有共同PM资源并且不依赖于彼此的两个负载具有独立的转换表。合并的转换表中的模式数量是负载的表格大小的乘积。

另外，一旦计算了用于根(代表整个SoC)的转换表，则必须选择一行(称作“策略”)。该选择取决于随着表格合并处理而计算的行属性。通常，对于***将空闲多久会存在一个概念。根据本发明，选择具有最大益处和可接受等待时间(例如，断电等待时间和唤醒等待时间的总和不超过期望空闲时间周期的10％)的行。当选择了一行时，可以执行实际模式转换。

如图3所示，某些负载直接由OS调度器305控制，或者由器件驱动器310、315控制。另外还存在一些间接受控制的负载，如“memc”320，其适用于不带有SW对应部分的HW IP。优点之一是避免驱动器管理很多不与驱动器的HW IP直接相关的PM资源。另外，既不被直接控制也不被间接控制的负载将始终保持活动(例如无法禁用时钟)。此外，IActivation具有两种功能，其一是当HW IP完全可操作时进行激活(Activate)，以及尝试禁用电源管理资源的“停用”(Deactivate)，其中PMFW可以使用空闲时间周期来决定PM资源的启用/禁用。PMFW支持发出到IState接口的状态保存/恢复调用。PMFW确保正确的调用序列。

在某些实施例中，提供在短空闲周期中实现保存/恢复指向Activate()和DeActivate()调用的单独组件。在这些实施例中，调用未指向PMFW。

图4例示了根据本发明的支持状态保存/恢复功能的SoC 400的PMFW。其包括发出到IState接口的调用，并且PMFW确保正确的调用序列。提供能够(1)实现保存/恢复；以及(2)指向Activate()和DeActivate()调用的单独组件也符合本发明的精神并落入本发明的范围。此外，在较短的空闲周期中没有指向PMFW的调用也符合本发明的精神并落入本发明的范围。

在根据本发明的一个基本操作示例中，在初始化期间，电源负载组织在树结构中(作为叶片)。针对每个电源负载存储如下信息：(1)时钟id(编号)；(2)Vddid；(3)可选的，嵌入式开关id；(4)分别针对待命状态、保持状态、和断电状态的益处值；(5)断电等待时间；和(5)唤醒等待时间。基于上述信息来初始化负载的转换表。初始时负载为活动(非空闲)。转换表仅包含针对活动状态的行。

软件接口(API)发出信号表示负载何时可以空闲(停用功能)以及负载何时必须激活(激活功能)。

电源模式转换。对电源模式的任何改变都是通过针对特定负载调用激活功能或者停用功能而实现。例如，当运行在CPU上的操作***无法调度一个线程时，该操作***将调用该CPU负载的停用功能。当调用了停用功能时，该负载将具有完整的转换表，其包括针对如下电源状态的行：活动、待命、保持、和断电。当调用了激活功能时，转换表将仅包括针对活动电源状态的行。在两种情况下，下一动作都是触发层次的根部来计算整个SoC的模式转换表。计算(树中节点的)转换表的基本操作是合并该节点的子节点的转换表。

根据本发明，使用PMFW来控制电源管理资源。于是，电源管理框架计算有效电源模式转换并选择具有“最深”休眠模式(将在后文讨论)的电源模式转换。由此禁用或启用某些时钟，改变某些Vdd设置，断开或闭合某些嵌入式Vdd开关。SoC专用驱动器在驱动器调用中将这些变化的设置转译给PM硬件(时钟发生器单元(CGU)、PMC、CMC等)。

图5是例示了根据本发明计算最佳电源模式的方法的示例步骤的流程图。在步骤S510，片上***SoC被分成多个包括电源负载的硬件模块。每个电源负载包括不超过一个时钟、一个Vdd、和一个嵌入式开关。这些电源负载可以包括CPU核、1级高速缓存、存储器控制器、和其它类型的外部设备。

在步骤S520，将每个电源负载的各个电源状态存储在转换表中。此转换表可以类似于例如表1或者图1B所示。电源负载可以为活动的或空闲的，这种状态与使用相关联，也就是说，例如不使用的负载通常为空闲的。活动的负载仅能处在活动电源状态。另一方面，空闲的负载可以处在多种状态中的任意一种，如待命、保持、或断电。通过例如进行计算以合并/结合子树的表格能够形成转换表，其中子树代表可以包括多个负载的子***。

在步骤S530，从转换表中选择具有最大益处和可接受等待时间的一行来用作最佳电源模式。该等待时间定义为执行某操作的计算周期的数量。断电等待时间和唤醒等待时间是两个此类等待时间。在根据本发明的一个实施例中，认为选择其中断电等待时间和唤醒等待时间的总和不超过期望空闲时间周期的10％的一行是优选的。在根据本发明的另一个实施例中，认为选择其中断电等待时间和唤醒等待时间的总和不超过期望空闲时间周期的3％、4％、5％、10％、15％、20％、25％、或50％的一行是优选的。

最后，在某些实施例中可选的步骤S540中，由于本发明包括一种选择方法，于是可以基于所选择的行来执行模式转换。

下面对所公开的表格合并功能进行详细讨论。表格合并的结合出现在例如存在表格X和表格Y的合并/组合时。表格X和表格Y的行的每次组合均在表格合并功能中组合，如表格X的行x与表格Y的行y组合。仅当x和y的组合是有效结果时，才在X和Y的表格合并中创建新的行。

表格合并功能的变型包括合并不共用的时钟(例如合并行x的一部分以及不是行y的一部分，反之亦然)。在这种情况下，简单地将时钟(值)复制到合并的行中。

表格合并功能的另一变型包括合并行x以及行y中的时钟。在这种情况下，

如果时钟[x]是“任意”，则将时钟[y]复制到合并行中，

否则，如果时钟[y]是“任意”，则复制时钟[x]，

否则，如果时钟[x]等于时钟[y]，则复制时钟[x]，

否则，行x和行y的合并无效。

表格合并功能的另一变型用在合并不共用的Vdd时。在这种情况下，简单地将Vdd(值)复制到合并的行中。表格合并功能的另一变型用在合并行x和行y中的Vdd时。在这种情况下：

如果vdd[x]是“任意”，则将vdd[y]复制到合并行中，

如果vdd[y]是“任意”，则复制vdd[x]，

如果vdd[x]等于vdd[y]，则复制vdd[x]，

否则，行x和行y的合并无效。

如果存在与Vdd相关联的嵌入式Vdd开关，则当开关断开(禁用)时vdd[]值还是“任意”。

在合并时，取行x和行y的单个属性的总和来考虑各个属性(益处、断电等待时间、和唤醒等待时间)。

优化1：相关性

通常电源负载彼此相关，例如无论何时负载A活动，负载B必须也活动，反之亦然。在一个典型示例中，当CPU核不空闲时，必须对该CPU的高速缓存提供时钟并供电。在初始化时，针对每个负载指示该负载(直接)与其它哪个负载相关。通过这种方式，定义多个负载的(非循环)相关图。

现在对负载的Activate()或DeActivate()调用通过相关图进行传播。于是(负载级的)多个转换表可以改变。

于是，定义相关性是管理不具有软件驱动器的硬件负载的良好方式(相关性还确定负载必须进行状态保存和恢复的次序)。

优化2：通过优化后的实现来替换层次中的子树

(树状层次)中的子树涵盖多个负载。当这些负载具有很多公共w.r.t时钟/Vdd和/或相关性等的时候，最好对这些负载的集合提供专门的实施方式，其中在初始化期间预先计算该子树的转换表并进行存储。这能够避免重复计算该子树的转换表。一个示例是处理器子***。

优化3：中间结果的高速缓存

在树状层次的中间节点中存储少量转换表是能够显著降低必须计算的转换数量的一种方式。在某些实施例中，仅仅存储两个表的结果令人满意。更具体地，每个存储的表格与一个标签相关联。此标签包括一个位串，其中针对(节点的子树中的)每个负载提供一位：当负载活动时该位为“1”，当负载空闲时该位为“0”。

本发明因为该通用技术方案能够应用于任何片上***而具有优点。另外，可以添加针对特定SoC的具体优化。本发明允许正确初始化的负载从活动转变为空闲或者从空闲转变为活动，从而获得有效的电源模式。本发明可以用在尚未实现的具有多个CPU核的SoC中。针对可接受等待时间和最大益处的值(例如)可以根据具体应用而改变，并且本领域普通技术人员能够理解并认识到，本发明不限于所示和描述的示例。

另外，根据本发明的上述方法可以通过硬件、或者软件、或者能够存储在诸如ROM、RAM、软盘、硬盘、或磁光盘的介质中作为机器可读代码的计算机代码，从而本文所描述的方法可以表现为使用通用处理器、通用计算机、专用处理器、或者可编程或专用硬件(如ASIC或FPGA)的软件。

本领域技术人员能够理解，所述计算机、处理器、或可编程硬件包括存储器组件如RAM、ROM、闪存等，这些存储器组件可以存储或接收被实现本文上述处理方法的计算机、处理器、或硬件访问和执行的软件或计算机代码。

Claims (19)

1.用于为片上***(SoC)提供最优电源模式的方法，包括：

将片上***分成多个硬件模块，所述多个硬件模块中的每个硬件模块包括相应的电源负载，所述电源负载具有不超过一个时钟、一个Vdd、和一个嵌入式开关；

针对所述多个硬件模块中的每个硬件模块，将各个硬件模块的电源负载的至少一个电源状态存储在相应的转换表中，从而存储多个转换表，其中所述多个转换表中的每个转换表包括多个行和多个列，每个行指示与各个转换表对应的硬件模块的电源状态，每个列指示与各个转换表对应的硬件模块的包括时钟、Vdd、和Vdd开关的电源管理资源；和

从多个转换表的各个转换表中选择具有预定的最大益处和可接受等待时间的一行来作为最优电源模式，其中所述最大益处定义为各个转换表的全部多个行中根据预定标准的最大数量，所述可接受等待时间是在各个转换表的所选择的行中开始执行一个或多个操作而占用的计算机周期的数量。

2.根据权利要求1的方法，其中所述最大益处包括通过选择各个转换表中的特定行所节省的毫瓦的最大数量。

3.根据权利要求1的方法，还包括基于所选择的行执行模式转换。

4.根据权利要求1的方法，其中针对每个电源负载存储的信息包括：

时钟id；

Vdd id；

分别针对待命状态和断电状态的两个益处值；

断电等待时间值；和

唤醒等待时间值。

5.根据权利要求4的方法，所述针对每个电源负载存储的信息还包括保持状态。

6.根据权利要求4的方法，其中所述多个硬件模块中的一个硬件模块还包括嵌入式开关。

7.根据权利要求4的方法，其中所述多个转换表中的一个转换表被初始化，并且所述负载处于活动状态。

8.根据权利要求1的方法，还包括通过对单个属性求和以组合多个转换表中一个转换表的第一行与多个转换表中另一个转换表的第二行的属性值，来合并所述第一行和第二行。

9.根据权利要求4的方法，其中选择一行包括要求断电等待时间和唤醒等待时间的和不超过预定阈值。

10.根据权利要求8的方法，其中所述可接受等待时间的预定阈值包括估计的空闲时间的10％。

11.一种具有全局电源的片上***(SoC)，包括：

分割装置，用于将片上***分成多个硬件模块，所述多个硬件模块中的每个硬件模块包括相应的电源负载，所述电源负载具有不超过一个时钟、一个Vdd、和一个嵌入式开关；

存储装置，其针对所述多个硬件模块中的每个硬件模块，将各个硬件模块的电源负载的至少一个电源状态存储在相应的转换表中，从而存储多个转换表，其中所述多个转换表中的每个转换表包括多个行和多个列，每个行指示与各个转换表对应的硬件模块的电源状态，每个列指示与各个转换表对应的硬件模块的包括时钟、Vdd、和Vdd开关的电源管理资源；和

选择装置，用于从多个转换表的各个转换表中选择具有预定的最大益处和可接受等待时间的一行来作为最优电源模式，其中所述最大益处定义为各个转换表的全部多个行中根据预定标准的最大数量，所述可接受等待时间是在各个转换表的所选择的行中开始执行一个或多个操作而占用的计算机周期的数量。

12.根据权利要求11的***，针对每个电源负载还包括用于存储的装置，其存储了如下信息：

时钟id；

Vdd id；

分别针对待命状态和断电状态的两个益处值，所述益处值指示转换至一行所代表的电源状态/模式的益处；

断电等待时间，其包括执行状态保存操作所占用的计算周期的数量；和

唤醒等待时间，其包括执行状态恢复操作所占用的计算周期的数量。

13.根据权利要求12的***，其中用于存储的装置还包括用于存储保持状态的装置。

14.根据权利要求12的***，其中所述多个硬件模块中的一个硬件模块还包括嵌入式开关。

15.根据权利要求13的***，其中所述多个转换表中的一个转换表被初始化，并且所述负载处于活动状态。

16.根据权利要求12的***，还包括合并装置，用于通过对单个属性求和以组合多个转换表中一个转换表的第一行与多个转换表中另一个转换表的第二行的属性值，来合并所述第一行和第二行。

17.根据权利要求12的***，其中所述片上***包括多个CPU核。

18.根据权利要求12的***，其中所述电源负载以树状层次进行排列。

19.根据权利要求12的***，其中所述最大益处包括通过在多个表中的一个表中选择特定行所节省的毫瓦的最大数量。

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