CN100458651C - 基于处理器的系统的热管理方法和系统 - Google Patents

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Abstract

可以根据处理器温度来调节处理器(12)的性能状态。在由于处理器(12)变热而使其向较低性能状态转变的过程中，在降低处理器电压之前，降低处理器的频率。这样，正如操作系统所看到的，处理器的性能将立刻下降。相反，在由于处理器冷却而使其向较高性能状态转变的过程中，直到电压变为更高电平，处理器的频率才会增加。可以在处理器的锁相环重新锁定在新的频率水平时，产生中断事件。这样，当中断出现时，操作系统可以读取处理器的性能状态。因此，不产生会使处理器性能落后于中断事件的中断。

Description

基于处理器的系统的热管理方法和系统
技术领域
本发明涉及基于处理器的系统的热管理(thermal management)。
背景技术
目前已经有硬件和软件控制的技术用于基于处理器的系统的电源和热管理。软件解决方案主要用于移动平台。
软件控制技术包括当超过处理器温度设定时产生中断。通过查询处理器温度，在检测到过温条件时，调节(throttle)处理器。通常，软件控制的解决方案比硬件控制的解决方案具有更慢的响应时间。另外，软件控制解决方案还有过冲(overshoot)和负向过冲(undershoot)的问题。在软件控制解决方案中使用的传感器相对较慢和不精确。电路片上(on-die)的传感器(通常为二极管)并不处于处理器电路片上的最热部分。
在移动系统以外的系统中所使用的硬件控制解决方案包括一个处理器，该处理器可以自动执行处理器调节，当超过温度条件时降低有效时钟频率，当处理器足够冷却时就取消调节。硬件控制的解决方案基于电路片上的二进制传感器，该传感器可以指示处理器是热还是不热。操作系统也有中断能力，但是通常并不使用，这是因为台式系统中主要使用硬件控制的解决方案，调节情况很少发生。因此，操作系统可以不考虑硬件控制的调节。
软件控制的解决方案主要基于这样的前提，即平台在操作系统使用了多种断路点。一个断路点就是当需要采取某些操作时对应特定高温区域的温度。随着温度高于或低于任何断路点，平台负责通知操作系统该事件发生，然后操作系统执行对应的操作。
当温度经过一被动断路点时，操作系统负责执行用于降低处理器温度的算法。这可以通过以变化的频率产生周期性事件来实现。操作系统然后监视当前温度和最终温度，并执行算法以改变性能从而将处理器保持在目标温度。
目前的硬件控制的调节手段是通过快速停止和启动处理器来降低处理器的频率，而将来硬件控制调节的手段可以通过同时降低频率和电压来降低处理器的性能状态。由于硬件控制的调节是直接启动的且具有非常快的响应时间，因此将用于触发被动热管理的断路点设定为靠近处理器的高温度规范(称为结温)，从而使大多数系统设计实现了高性能。
软件控制的调节可用于操作系统，从而允许操作系统全程了解处理器性能。这对于未来操作系统非常重要，可以保证在执行应用程序时基于处理器性能的服务质量。这个概念被称为有保障的带宽分配并基于处理器的当前性能水平。
硬件控制的调节的优点在于它可以在任何给定的热解决方案中实现最佳的可能性能，具有快速响应时间且不会过早调节。硬件控制的调节的缺点在于操作系统完全不考虑处理器性能已经改变。因此，人们希望硬件控制的调节可以使未来的操作系统实现有保障的带宽计划。
因此，需要一种热管理解决方案，从而可以实现硬件和软件控制技术的双重优点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，包括：
响应于处理器冷却或变热，检测处理器的频率已经改变；
响应于频率变化的检测，产生中断；
判断处理器的性能状态是否将要变为较低性能状态；和
如果处理器的性能状态将要变为较低性能状态，则改变处理器频率并然后改变处理器电压。
根据本发明的第二方面，提供了一种系统，包括：
处理器；
与所述处理器耦合的温度传感器；
响应于处理器冷却或变热来检测处理器频率已经改变的装置，响应于频率改变的检测来产生中断的装置，
判断处理器的性能状态是否将要变为较低性能状态的装置；和
如果处理器的性能状态将要变为较低性能状态，则改变处理器频率并然后改变处理器电压的装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种方法，包括：
响应于处理器冷却或变热，检测处理器的频率已经改变；
响应于频率变化的检测，产生中断；
判断处理器的性能状态是否将要变为较高性能状态；和
如果处理器的性能状态将要变为较高性能状态，则改变处理器电压并然后改变处理器频率。
根据本发明的第四方面，提供了一种系统，包括：
处理器；
与所述处理器耦合的温度传感器；
响应于处理器冷却或变热来检测处理器频率已经改变的装置，
根据频率改变的检测来产生中断的装置，
判断处理器的性能状态是否将要变为较高性能状态的装置；和
如果处理器的性能状态将要变为较高性能状态，则改变处理器电压并然后改变处理器频率的装置。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的系统方块图；
图2示出图1的系统中的一个电源管理模块的流程图；
图3示出图1的系统中的另一个模块的流程图。
具体实施方式
参照图1，根据本实施例的基于处理器的系统10包括一个或更多处理器12。该系统10可包括通用或专用计算机、微处理器或基于微控制器的系统，手持计算设备、机顶盒、电器、游戏系统或任何基于可编程的控制器的设备。
一个或更多温度传感器单元15监视一个或更多对应高温区域中的系统温度，当所检测到的温度超过预设的目标温度Tt或低于目标温度Tt时，每个传感器单元都可以发出中断，例如系统管理中断(SMI)、系统控制器中断(SCI)、或其他通知。
在一个实施例中，当所监视到的温度高于Tt时，产生热接合(thermalengage)SMI。相反，当所监视到的温度低于Tt时，产生热分离(thermaldisengage)SMI。当所监视到的温度保持高于或低于Tt时，热接合和热分离SMI将以周期性间隔产生，从而使软件或硬件可以管理处理器的性能水平。
在另一实施例中，系统中的其它部件(例如桥控制器芯片，外围控制器)可以在不同性能状态之间或之中转换，同时也可以将其调节以便实现系统热管理。另外，可以分别独立地对多个高温区域执行系统10中的热管理。
在图1中，温度传感器单元15产生的中断事件可以直接被路由到处理器12或主桥18，该主桥18耦合在处理器12和系统总线22之间，该系统总线22在一个实施例中可以是外设部件互连(PCI)总线，该PCI总线在1995年6月1日公布的PCI局域总线说明，产品版本，修订版2.1中进行了说明。或者，可以将该中断事件作为存储器或I/O映象寄存器位存储，由软件或硬件模块对其轮询。
为了执行调节，根据预定的占空因数来启动或停止时钟控制输入(例如，输入到80x86或英特尔公司的奔腾系列处理器的停止时钟输入，该停止时钟输入在图1中被示为G_STPCLK#)。热管理控制逻辑电路产生信号G_STPCLK#，并将其发送到例如英特尔公司制造的处理器的STPCLK#输入针。该STPCLK#可以内部地选通输入到处理器核心的时钟。启动时钟控制输入(例如通过驱动G_STPCLK#低电位)使得处理器12进入显著节能模式，此时处理器的内部时钟停止且大多数功能不能使用。通过在特定比例的时间内启动时钟控制输入来禁止处理器的活动，同时在剩余的时间内允许处理器的活动，可以实现这种调节。
系统10的其它部件包括时钟发生器50和电压调节器52，该时钟发生器50可以产生输入到处理器12的主时钟BCLK，该电压调节器52可以调节处理器12的电源电压。在一个实施例中，可以控制时钟发生器50、处理器12和电压调节器52，从而使系统10在不同性能状态之间或之中变化。
缓冲存储器14与处理器14连接且系统存储器16由主桥18中的存储器控制器来控制。系统总线22可以与其它部件耦合，这些其它部件包括与显示器26耦合的视频控制器24和通过插槽28耦合的外围设备。第二或扩展总线46通过系统桥34与系统总线22耦合。系统桥34可以包括用于不同端口的接口电路，这些端口包括通用串行总线(USB)端口36(如1996年1月公开的通用串行总线说明修订版1.0中所述)和可以与大容量存储设备耦合的大容量存储端口38，这些大容量存储设备例如硬盘驱动器、压缩盘(CD)或数字视频光盘(DVD)驱动器等。
与第二总线46耦合的其它部件包括输入/输出(I/O)电路40，它可以与并行端口、串行端口、软盘驱动器、和红外端口连接。用于存储基本输入/输出系统(BIOS)程序的非易失性存储器32可以位于总线46上，就像键盘设备42和音频控制设备44一样。系统10中的主电源电压由电源电路56来提供，该电源电路56与电池60和外部电源插座58连接。对系统10中的这些特定部件的说明是示意性的，应当理解系统10还可以有很多其它实施例。
在系统的一个或更多存储介质中可以存储多种不同软件或固件层(例如由模块或程序形成)，这些软件或固件层包括应用程序、操作系统模块、设备驱动、BIOS模块和中断处理程序。存储介质包括硬盘驱动器、CD或DVD驱动器、软盘驱动器、非易失性存储器和系统存储器。存储在存储介质中的这些模块、程序或其它层包含多个指令，当执行这些指令时，系统10就会执行这些程控的操作(programmed act)。
可以利用很多不同方法中的一种，将软件或固件层例如热中断(thermal interrupt)软件50和周期性计时软件70载入到系统10中。例如，可以将存储在软盘、CD或DVD介质、硬盘中的代码段或者通过网络接口卡、调制解调器、或其它接口部件传输来的代码段载入到系统10中，并作为对应的软件或固件层执行。在载入或传输过程中，以载波(通过电话线、网络线、无线链路、电缆等)形式的数据信号可以实现将代码段传输给系统10。
如菱形框52所示，热中断软件50初始判断是否已经接收到频率变化、高温或低温中断。高温和低温中断是传统的软件控制的中断。频率变化中断是硬件控制的中断，但它不同于传统的硬件控制中断的地方在于可以在适当的时间通知操作系统，从而例如可以实现有保证的带宽分配。
在某些系统中，可以直接控制处理器12的性能状态，而不是简单地调节该处理器。该性能状态包括频率和电压。在这种情况下，当处理器12超过或低于电路片上传感器15的断路点时，调节可以直接降低或增加性能状态。
在向较低性能状态转变的过程中(由于处理器变得更热)，在降低处理器电压之前，处理器的频率已经被降低。如操作系统看到的，处理器的性能将立刻下降。即，频率一降低性能就随着降低。
在向较高性能状态转变的过程中(由于处理器冷却)，直到电压变为更高电平，处理器的频率才会增加。通常，电压改变需要花费一些时间。因此，即使在电压改变时就产生了中断事件，性能的变化也会落后中断事件。
或者，可以在处理器的锁相环(PLL)重新锁定在新的频率水平时，产生中断事件。因此，当中断出现时，操作系统可以读取处理器的性能状态，确定处理器的新的性能水平，重新计划所请求的有保障的带宽分配，然后重新开始正常操作。
参照图2，如果在菱形框中检测到事件，则读取处理器性能状态。这可以通过访问处理器寄存器以确定事件原因以及采取进一步行动来实现。编码的量很小并且有限，因此在某些实施例中可以页面锁定(page locked)在物理存储器中。
如菱形框52中所确定的那样，当操作系统接收到热管理中断向量的三个源中的任何一个时，如方块54所示，处理器可以根据已经定义的寄存器，检查处理器是热还是冷并查询当前性能状态，然后采取适当的动作。典型的寄存器可以包括电路片上调节控制和性能状态情况寄存器。
根据本发明的一个实施例，可以在用于热和冷中断发生的已知中断模型中，加入新的中断。该频率改变中断可以具有一个使能位，从而通知操作系统允许或禁止该事件，但是在有些实施例中不需要状态寄存器。
然后，在菱形框56中进行检查来判断根据当前处理器性能状态是否需要调节带宽合同。如果需要，则按照方块58所示调节该合同。然后如方块60所示，重新开始计划带宽。菱形框62中的检查可以判断是否需要实现周期性计时器。如方块64所示，如果中断表示处理器热(thermal)事件，则操作系统可以启动周期性计时器事件操作从而开始监视处理器温度。
如图3所示，按照方块72所示，通过增加时间，开始周期性计时器软件70。菱形74中的检查判断是否出现超时。如果出现超时，则在菱形框76中的检查判断处理器是否仍然是热的。如果是，则如方框78所示，操作系统可以决定降低处理器性能状态和/或开始电路片上调节和/或增加电路片上调节的内部有效频率。
菱形框80中的检查判断处理器现在是否已经冷却。如果是，则如方块82中所示，操作系统可以决定增加处理器性能状态和/或禁止电路片上调节和/或增加电路片上调节的内部有效频率。然后，如方块84所示重新设定时间，循环执行流程。
特别是在移动平台的情况下，可以利用上述的软件和硬件控制解决方案来实现性能增加。在一些实施例中，通过使硬件控制的调节共享操作系统调度算法，可以在保证带宽分配目标的情况下，快速、有效地实现热管理。
本发明是参照有限实施例说明的，本领域技术人员应当可以对其进行多种修改和变化。附加权利要求覆盖了不脱离本发明精神和范围内的所有这些修改和变化。

Claims (29)

1.一种热管理方法，包括：
响应于处理器冷却或变热，检测处理器的频率已经改变；
响应于频率变化的检测，产生中断；
判断处理器的性能状态是否将要变为较低性能状态；和
如果处理器的性能状态将要变为较低性能状态，则改变处理器频率并然后改变处理器电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中产生中断包括向操作系统提供中断。
3.如权利要求2所述的方法，包括设定周期性计时器。
4.如权利要求3所述的方法，包括以周期性间隔监视处理器温度。
5.如权利要求1所述的方法，包括响应于该中断，读取处理器的性能状态。
6.如权利要求1所述的方法，包括检测高温或低温中断，并响应于高温或低温中断的检测，读取处理器性能状态。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述频率变化的检测包括检测处理器锁相环事件。
8.如权利要求1所述的方法，包括：
判断处理器的性能状态是否将要变为较高性能状态；和
如果处理器的性能状态将要变为较高性能状态，则改变处理器电压并然后改变处理器频率。
9.一种热管理系统，包括：
处理器；
与所述处理器耦合的温度传感器；
响应于处理器冷却或变热来检测处理器频率已经改变的装置，
响应于频率变化的检测来产生中断的装置，
判断处理器的性能状态是否将要变为较低性能状态的装置；和
如果处理器的性能状态将要变为较低性能状态，则改变处理器频率并然后改变处理器电压的装置。
10.如权利要求9所述的系统，所述中断被提供给操作系统。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述处理器设定周期性计时器。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述处理器以周期性间隔监视处理器温度。
13.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器响应于中断来读取处理器的性能状态。
14.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器检测高温或低温中断，并响应于高温或低温中断的检测，读取处理器性能状态。
15.如权利要求9所述的系统，其中所述频率变化的检测包括检测处理器锁相环事件。
16.一种热管理方法，包括：
响应于处理器冷却或变热，检测处理器的频率已经改变；
响应于频率变化的检测，产生中断；
判断处理器的性能状态是否将要变为较高性能状态；和
如果处理器的性能状态将要变为较高性能状态，则改变处理器电压并然后改变处理器频率。
17.如权利要求16所述的方法，其中产生中断包括向操作系统提供中断。
18.如权利要求17所述的方法，包括设定周期性计时器。
19.如权利要求18所述的方法，包括以周期性间隔监视处理器温度。
20.如权利要求16所述的方法，包括响应于该中断，读取处理器的性能状态。
21.如权利要求16所述的方法，包括检测高温或低温中断，并响应于高温或低温中断的检测，读取处理器性能状态。
22.如权利要求16所述的方法，其中所述频率变化的检测包括检测处理器锁相环事件。
23.一种热管理系统，包括：
处理器；
与所述处理器耦合的温度传感器；
响应于处理器冷却或变热来检测处理器频率已经改变的装置，
响应于频率变化的检测来产生中断的装置，
判断处理器的性能状态是否将要变为较高性能状态的装置；和
如果处理器的性能状态将要变为较高性能状态，则改变处理器电压并然后改变处理器频率的装置。
24.如权利要求23所述的系统，包括所述中断被提供给操作系统。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述处理器设定周期性计时器。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述处理器以周期性间隔监视处理器温度。
27.如权利要求23所述的系统，其中所述处理器响应于中断来读取处理器的性能状态。
28.如权利要求23所述的系统，其中所述处理器检测高温或低温中断，并响应于高温或低温中断的检测，读取处理器性能状态。
29.如权利要求23所述的系统，其中所述频率变化的检测包括检测处理器锁相环事件。
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