CN1516000A - 动态地改变电子装置的工作频率和工作电压的方法和装置 - Google Patents

动态地改变电子装置的工作频率和工作电压的方法和装置 Download PDF

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Abstract

在一个实施例中，提供一种方法，包括确定电子装置的一个目标工作点，该目标工作点包括目标工作频率和目标工作电压；以及通过不同时地将当前工作频率改变到目标工作频率和将当前工作电压改变到目标工作电压，而动态地改变电子装置的当前工作点，当前工作点包括当前工作频率和当前工作电压，其中在变化期间电子装置处于活动状态。

Description

动态地改变电子装置的工作频率和工作电压的方法和装置
技术领域
本发明的实施例涉及电子装置。特别是，本发明的实施例涉及改变电子装置的工作电压和工作频率。
背景技术
对于说明书来说，术语“电子装置”应该广泛地解释为包括任何电子装置，这些电子装置包括而不限于微处理器(处理器)，芯片组，图形处理器，图形加速器，以及其他的数据处理装置。电子装置的频率在过去的十年里已经大约增加了十倍。例如，90世纪中叶的电子装置以133mHz的频率工作是很平常的，但是今天电子装置以超过1.6GHz的频率工作。由于高的工作频率以及以高频率工作的电子装置所引起的高能量损耗，使电子装置频率的提高导致了功耗的急剧增长。
因此，当设计新式电子装置时，降低电子装置的功耗成了一个很重要的需要考虑的事项。以低电能工作的电子装置是具有优点的，因为它们可以通过蓄电池电源长时间工作，而不需要给电池重新充电。
降低电子装置的功耗的一种技术是基于功耗和/或性能标准动态地调节电子装置的工作频率和工作电压。例如，如果不需要高的性能并且电子装置通过蓄电池电源工作，那么为了节省能量，电子装置可以动态地调节或是转换到以较低频率工作。当电子装置被连接到一个壁式插座(交流电源)上时，可以向上调节该装置以提高它的工作频率。
通过除了调节电子装置的工作频率外，还调节电子装置的工作电压可以获得较低的功耗。然而，调节工作电压将导致电子装置的工作的不稳定性。为了减小工作的不稳定性，电压变化期间的所有的计算都中止了。这个时间可能超过130μs以允许电压从最小工作电压变化到最大工作电压，并且允许控制电子装置工作频率的锁相环电路复位或被重新锁定。可以理解长时间地停止所有的计算将导致电子装置性能的下降。
此外，因为在电压变化或转换期间不能对电子装置的超高速缓冲存储器进行监听，所以在电压变化期间存储器业务(memory traffic)一般被停止至少130μs。存储器业务的停止影响同步业务，后者的延迟一般不能超过10-15μs，否则数据会丢失或者音频视频伪影(audio-visual artifact)对于用户可见。在一些情况中，在电压转换前，超高速缓冲存储器不得不被刷新。由于刷新时间的损失，这不利地影响了电子装置的性能，并且限制了超高速缓冲存储器的大小。
如上所述，电子装置的工作电压的变化将导致对每一个变化的整个***性能的恶化，因此限制了每分钟变化或转换的次数并且因此阻止电子装置能量模式跟上当前对于电子装置的性能需求。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种方法，包括：确定电子装置的目标工作点，该目标工作点包括目标工作频率和目标工作电压；以及通过非同时地将当前工作频率改变到目标工作频率和将当前工作电压改变到目标工作电压，而动态地改变电子装置的当前工作点，该当前工作点包括当前工作频率和当前工作电压，其中，在改变期间，电子装置处于活动状态。
根据本发明的另一个方面，提供一种电子装置，包括：确定电子装置的目标工作点的第一单元，该目标工作点包括目标工作频率和目标工作电压；以及通过非同时地将当前工作频率改变到目标工作频率和将当前工作电压改变到目标工作电压，而动态地改变电子装置的当前工作点的第二单元，该当前工作点包括当前工作频率和当前工作电压，其中，在改变期间，电子装置处于活动状态。
根据本发明的另一个方面，提供一种***，包括：电子装置；通过总线耦合到电子装置的存储器；确定电子装置的目标工作点的第一单元，该目标工作点包括目标工作频率和目标工作电压；以及通过非同时地将当前工作频率改变到目标工作频率和将当前工作电压改变到目标工作电压，而动态地改变电子装置当前工作点的第二单元，该当前工作点包括当前工作频率和当前工作电压，其中，在改变期间，电子装置处于活动状态。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的电子装置的高级的框图；
图2示出了根据本发明的一个实施例在电压转换阶段所执行的操作的流程图；
图3示出了根据本发明的一个实施例在频率转换阶段所执行的操作的流程图；
图4示出了根据本发明的一个***的高级的框图。
具体实施方式
在说明书中提及的“某个实施例”或“一个实施例”表示一个被包括在本发明中的至少一个实施例中的详细的特征、结构或是特性，所述的详细的特征、结构或是特性在相关的实施例中给予了描述。在说明书的不同的地方出现的短语“在某个实施例中”不一定指相同的实施例，也不是指相互分开或是可选择的排除其他实施例的实施方式。此外，对由某些实施例所限定的而不是由其他的实施例所限定的不同的特征给予了描述。类似的，对由某些实施例所要求的而不是由其他的实施例所要求的不同的需求条件给予了描述。
附图中的图1根据一个实施例示出了一个处理器形式的电子装置的不同状态的状态图表。参见图1，附图标记10表示处理器的正常工作状态。在正常状态10，处理器在一个包括当前工作频率和当前工作电压的工作点工作。在正常状态10，处理器的性能与处理器工作的工作点相对应。换句话说，正常状态10是一个在满足处理器的工作性能要求以及功耗要求的工作频率和工作电压下工作的处理器的工作点的状态。
在一个实施例中，例如如果需要提高性能，而在该情况下，处理器的工作点需要上升，则处理器将离开它的正常工作状态10。或者，如果需要节省能量则处理器将离开正常状态10，在这种情况下处理器的工作点下降。在一种情况下，为了将处理器的工作点降低到一个比与正常状态10相关的工作点低的目标工作点，处理器首先进入一个频率转换阶段12，在频率转换阶段12中处理器的工作频率降低到比正常状态10时处理器的工作频率低的一个值。在频率转换阶段12期间所执行的特殊的操作将在下面给予详细的描述。
执行完成频率转换阶段12后，处理器进入电压转换阶段14。在电压转换阶段14期间，处理器的工作电压从与正常状态10相关的工作电压降低到比与正常状态10相关的工作电压低的目标工作电压。在执行完电压转换阶段14之后，处理器再一次进入正常状态10，因为当前在处理速度(性能)以及功耗方面的要求都要与处理器的当前工作点相匹配。
在另一种情况中，为了将处理器的工作点从在正常状态10时的工作点转换到一个较高的工作点，处理器首先进入电压转换阶段16，在电压转换阶段16中与正常状态10相关的工作电压被转换到一个较高的目标工作电压，在执行完成电压转换阶段16之后，执行频率转换阶段18，在频率转换阶段18中，与正常状态10相关的处理器的工作频率被转换到一个较高的工作频率。在执行完成频率转换阶段18之后，处理器又一次进入正常状态10，因为处理器将在一个包括与所要求的功耗和处理器性能相匹配的工作电压和工作频率的工作点上进行工作。在一些实施例中，电压转换阶段16和14执行了一样的或是类似的工作，并且频率转换阶段12和18执行了一样的或是类似的工作。
现在参见图2，附图标记30表示在电压转换阶段14和16期间所执行的根据本发明的一个实施例的操作的流程图。如上所述的，当处理器确定它的当前工作电压不同于目标工作电压时，进入电压转换阶段14和16，所述的目标工作电压在电压转换阶段14的情况下较低，在电压转换阶段16的情况下较高。在框32，执行一个操作以将处理器的当前工作电压改变一个增量。这个增量对于不同的处理器是不一样的，但是在某个实施例中是在5-50mV之间的一个很小的量。在某个实施例中，每一个增量的大小被设置为一个体现了在不会导致操作不稳定性的条件下可以被处理器接受的增加的电压变化的值。
在框34，在电压增量变化后，处理器等候一段预先确定的时间，在该期间里处理器的的电路被允许调整到新的工作电压。因此，通过将每一个增量在时间上分散开，与处理器相关的时钟电路和逻辑计时电路将可以以对于软件透明的方式继续工作(即处理器保持在活动状态)。在某个实施例中，预先确定的等待时间在5-30μs之间。在框32，执行一个确定是否达到目标工作电压的检测。如果还没有到达目标工作电压，那么重新执行框32，否则退出电压转换阶段。在电压转换阶段14和16期间，处理器保持在活动状态，其中处理器可以继续执行代码并且耦合到处理器的处理器总线上的存储器事务(transaction)仍然可以进行。
现参见图3，附图标记40总地表示在频率转换阶段12和18期间所执行的操作流程图。在框42，在进入频率转换阶段12，14后处理器停止启动耦合到其上的处理器总线上的新的总线事务。在框43，执行一个检测以确定是否处理器总线上的所有等待着的(pending)或排队的总线事务都已经完成。重新执行框43，直到所有的总线等待总线事务都已经被完成，其中执行框44。框44的执行包括用一个本地总线机构阻塞(stall)处理器总线。其后，执行框46，其包括暂停处理器的逻辑单元，暂停第一(核心)时钟(该第一时钟在一种情况中是核心时钟)，以及命令用于处理器核心的锁相环电路被设置在目标工作频率上。
执行完框46后，执行框48，其中，处理器等待一段预先确定的延迟时间以允许核心锁相环电路被重新设置。有时，预先确定的延迟时间可以大约是10μs。在框40，返回核心时钟，释放处理器总线，并重新开始暂停的逻辑单元。其后，执行框52，其中恢复正常的代码执行。
参见附图4，附图标记60总地表示一个包括根据本发明实施例的处理器的***。***60包括一个处理器62，处理器62通过处理器总线64耦合到存储器控制器66上。存储器控制器66控制去向/来自主存储器68的存储器事务。处理器被连接到稳压器70上，稳压器70调节对处理器62的电压源(未示出)的输出。处理器62包括一个处理器核心62A，处理器核心62A包括例如算术逻辑单元(ALU)的功能单元，等等。锁相环电路62B从时钟发生器72接收时钟信号并且将改变了的时钟信号调节到所需要的工作频率上，然后，被调节了的该时钟信号被馈送至处理器核心62A。
处理器62还包括一个工作点控制单元62C，其控制锁相环电路62B以及稳压器70。在使用中，工作点控制单元62C确定用于处理器62的当前工作点是否高于或是低于目标工作点。有时，该确定可以包括接收来自操作***的输入，以根据能量和/或性能要求调节处理器62的工作频率和工作电压。有时，当处理器被从交流电源转换到蓄电池电源或者是如果工作计算负载减小时，当前工作点可以被确定得高于目标工作点。在其它情况下，如果有一个高的处理负载，当前工作点就被确定为比目标工作点低。
如果目标工作点高于当前工作点，那么工作点控制单元62C就发送控制信号给锁相环电路62B和稳压器70，以提高处理器62的工作频率和工作电压。相反地，如果工作点控制机构62C确定目标工作点低于当前工作点，那么工作点控制单元62C就发送一个控制信号给锁相环电路62B，以使得锁相环电路62B降低当前工作频率到目标工作频率。此外，工作点控制单元62C发送一个控制信号给稳压器70以使得稳压器70发送一个控制信号以降低处理器62的工作电压。
为了将处理器62的工作频率和工作电压改变到目标工作电压和目标工作频率，由处理器62执行的实际的操作与在上面参考图1描述的在频率转换阶段12、18和电压转换阶段14、16期间执行的操作相对应。因此，电压转换阶段与频率转换阶段是分开的，并且在下降到一个较低工作点的转换期间，首先执行频率转换。在上升到一个较高工作点的转换期间，首先执行电压转换，以允许高频工作继续进行。在一个实施例中，处理器的操作以及在处理器总线64上的总线业务在电压转换阶段不会停止。此外，为了减小工作的不稳定性，电压转换以小的增量(在一个实施例中，每个增量大约是5-50mVs)执行，并且在时间上分散开(在一个实施例中大约分开0.5到30μs)，这样处理器电路不会受转换的影响。
当以上面描述的方式执行电压和频率转换时，在一个实施例中，可以在5-10μs的期间内完成频率转换阶段。因为在频率转换阶段，处理器总线64是运行着的，所以在转换阶段到处理器的业务将可以通过采用本地总线机构被阻断。这降低了时间开销(减少了延时和影响)并且降低了包含处理器62的芯片组的实现成本。在一个实施例中，频率转换完全从处理器62内部控制而不需要一个外部装置来作这些。这节省了处理器的接口插脚。
在一些实施例中，工作点控制单元62C已经在其中对不同的工作点进行了硬编码(hard code)。此外，每个电压增量值和对于执行上述的技术所必需的延迟时间也都在工作点控制单元62C中进行了硬编码。在其他的实施例中，这些值可以存在固件中。在另一些实施例中，这些值可以部分地或是全部由软件编程。
执行如上所述的过程的逻辑可以在电子装置内由硬件实现，或在该装置外部实现。上述的过程可以作为一套将要被执行的指令被存储在计算机***的存储器中。另外，执行上述操作的指令也可以存储在其他形式的机器可读介质上，包括磁盘和光盘。例如，一个实施例的操作可以被存储在机器可读介质中，如磁盘或光盘，通过一个磁盘驱动器(或计算机可读介质驱动器)可以存取。此外，指令可以通过数据网络以编译和链接的形式被下载到一个计算装置中。
或者，执行如上所述的操作的过程可以在另外的计算机和/或机器可读介质中实现，例如分立的硬件元件，如大规模集成电路(LSI)、特定用途集成电路(ASIC)、固件，如电可擦可编程只读存储器(EEPROM)；以及电，光，声和其他形式的传播信号(例如，载波，红外线信号，数字信号等等)等等。
虽然本发明已经参考具体的实施例给予了描述，但很显然在不脱离本发明的范围和较宽精神的情况下，仍可对这些实施例作各种各样修改和变化。从而，说明书和附图应被认为是说明性质的而不是具有限制性的意思。因此，例如，在一些实施例中工作点控制单元62C或者至少它的一些元件可以设置在处理器62的外部，并且可以形成包括处理器62的芯片组的一部分。此外，工作点控制单元62可以在固件，软件或硬件中实现。类似的，稳压器单元70或者至少它的一些元件可以设置在处理器62的内部，或者是芯片组的其他任何部分。

Claims (22)

1.一种方法，包括：
确定电子装置的目标工作点，该目标工作点包括目标工作频率和目标工作电压；以及
通过非同时地将当前工作频率改变到目标工作频率和将当前工作电压改变到目标工作电压，而动态地改变电子装置的当前工作点，该当前工作点包括当前工作频率和当前工作电压，其中，在改变期间，电子装置处于活动状态。
2.如权利要求1的方法，其中，在活动状态，电子装置进行执行指令以及处理总线上的输入/输出事务中的一个。
3.如权利要求1的方法，其中如果目标工作点低于当前工作点，则在改变当前工作电压之前进行当前工作频率的改变。
4.如权利要求1的方法，其中如果目标工作点高于当前工作点，则在改变当前工作频率之前进行当前工作电压的改变。
5.如权利要求1的方法，其中以增量的形式进行当前工作电压的改变。
6.如权利要求5的方法，其中每个增量在10mV到50mV之间。
7.如权利要求1中的方法，还包括在每个增量之间等待一段预先确定的时间。
8.如权利要求7的方法，其中预先确定的等待时间至多是30ms。
9.如权利要求1的方法，其中在改变当前工作频率期间，阻塞被耦合到处理装置的电子装置总线，停止用于电子装置的第一时钟，并将用于核心时钟的锁相环电路设置到目标工作频率上。
10.如权利要求1的方法，其中基于电子装置的操作***的当前性能要求确定目标工作点。
11.如权利要求1的方法，其中所述的动态改变在10ms或少于10ms内完成。
12.一种电子装置，包括：
确定电子装置的目标工作点的第一单元，该目标工作点包括目标工作频率和目标工作电压；以及
通过非同时地将当前工作频率改变到目标工作频率和将当前工作电压改变到目标工作电压，而动态地改变电子装置的当前工作点的第二单元，该当前工作点包括当前工作频率和当前工作电压，其中，在改变期间，电子装置处于活动状态。
13.如权利要求12的电子装置，其中，在活动状态，电子装置进行执行指令以及处理总线上的输入/输出事务中的一个。
14.如权利要求12的电子装置，其中如果目标工作点低于当前工作点，则在改变当前工作电压之前进行当前工作频率的改变。
15.如权利要求12的电子装置，其中如果目标工作点高于当前工作点，则在改变当前工作频率之前进行当前工作电压的改变。
16.如权利要求12的电子装置，其中以增量的形式进行当前工作电压的改变。
17.一种***，包括：
电子装置；
通过总线耦合到电子装置的存储器；
确定电子装置的目标工作点的第一单元，该目标工作点包括目标工作频率和目标工作电压；以及
通过非同时地将当前工作频率改变到目标工作频率和将当前工作电压改变到目标工作电压，而动态地改变电子装置当前工作点的第二单元，该当前工作点包括当前工作频率和当前工作电压，其中，在改变期间，电子装置处于活动状态。
18.如权利要求17的***，其中，在活动状态，电子装置进行执行指令以及处理总线上的输入/输出事务中的一个。
19.如权利要求17的***，其中如果目标工作点低于当前工作点，则第二单元在改变当前工作电压之前改变当前工作频率。
20.如权利要求17的***，其中如果目标工作点高于当前工作点，则第二单元在改变当前工作频率之前改变当前工作电压。
21.如权利要求17的***，其中第二单元以增量的形式改变当前工作电压。
22.如权利要求17的***，其中第一和第二单元在电子装置内。
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