CN101727163A - 具有省电功能的嵌入式系统及其相关省电方法 - Google Patents
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Abstract
具有省电功能的嵌入式系统包含中央处理单元、检测与控制单元以及工作频率产生单元。中央处理单元用以控制嵌入式系统的运作。检测与控制单元用来检测中央处理单元的特定运作状态，以产生控制信号。工作频率产生单元是耦接于检测与控制单元与中央处理单元，用来依据控制信号来设定工作频率信号给中央处理单元。其中特定运作状态包含中央处理单元的使用率或者负载状态。
Description
技术领域
本发明有关一种嵌入式系统，尤指一种通过控制中央处理单元的工作频率及/或利用电源门控来控制输入电源的导通与否来节省功耗的嵌入式系统。
背景技术
嵌入式系统(embedded system)最初是由英国电机工程协会所定义，其为一种结合软件和硬件的应用。随着后PC时代的到来，像是移动电话、信息家电(Information Applicant，IA)、个人数字助理(Personal DigitalAssistant，PDA)等电子装置，随处可见嵌入式系统的应用，而相较于一般个人计算机系统而言，所谓的嵌入式系统不同之处在于其具有特定的用途与功能，且其硬件规格通常是由其功能上的需求来加以决定，而不同的功能需求的嵌入式系统其硬件规格也会有所不同。
在手持式产品的设计中，非常注重电池的待机时间，因此，电源管理以及省电设计就显得十分重要。然而，嵌入式系统的设计者除了考虑到功耗之外，也必须兼顾到成本的支出以及产品的效能。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有省电功能的嵌入式系统及其相关省电方法，以解决先前技术中的问题。
本发明提供一种具有省电功能的嵌入式系统，其包含有中央处理单元、检测与控制单元以及工作频率产生单元。中央处理单元用以控制嵌入式系统的运作。检测与控制单元用来检测中央处理单元的特定运作状态，以产生控制信号。工作频率产生单元是耦接于检测与控制单元与中央处理单元，用来依据控制信号来设定工作频率信号给中央处理单元。其中特定运作状态包含中央处理单元的使用率或者负载状态。
本发明还提供一种具有省电功能的嵌入式系统，其包含有中央处理单元、判断单元以及电源门控。中央处理单元用以控制嵌入式系统的运作。判断单元用来判断中央处理单元处于闲置状态的时间是否大于特定时间，以产生判断结果。电源门控包含电源控制开关以及检测与控制单元。电源控制开关用以根据控制信号来控制中央处理单元的输入电源。检测与控制单元用以接收判断结果，并根据至少判断结果来产生控制信号。嵌入式系统还包含有网络模块或者红外线模块，用以传递唤醒信号。
本发明还提供一种应用于嵌入式系统的省电方法，该方法包含有：检测嵌入式系统的中央处理单元的特定状态，以产生控制信号；以及依据控制信号来产生工作频率信号给中央处理单元。
本发明还提供一种应用于嵌入式系统的省电方法，该方法包含有：判断嵌入式系统的中央处理单元处于闲置状态的时间是否大于特定时间，以产生判断结果；接收判断结果，并根据至少判断结果来产生控制信号；以及根据控制信号来控制中央处理单元的输入电源。
附图说明
图1为本发明具有省电功能的嵌入式系统的第一实施例的示意图。
图2为本发明具有省电功能的嵌入式系统的第二实施例的示意图。
图3为本发明具有省电功能的嵌入式系统的第三实施例的示意图。
图4为本发明具有省电功能的嵌入式系统的第四实施例的示意图。
图5为本发明具有省电功能的嵌入式系统的第五实施例的示意图。
图6为本发明具有省电功能的嵌入式系统的第六实施例的示意图。
图7A、图7B以及图7C为图1至图6所示的嵌入式系统的省电机制的示意图。
图8为本发明应用于嵌入式系统的省电方法的一操作范例的流程图。
图9为本发明应用于嵌入式系统的省电方法的另一操作范例的流程图。
图10为本发明嵌入式系统与传统嵌入式系统的功耗比较图。
[主要元件标号说明]
100～600 嵌入式系统
110、210、410、610 中央处理单元
120、220 检测与控制单元
130、230 工作频率产生单元
140 存储器
150 闪存
160 其它外设装置
SC1 控制信号
S1 特定运作状态
CLKin、CLK1～CLKn 输入频率信号
CLKout 工作频率信号
330 选择单元
420 判断单元
430 电源门控
440 第二检测与控制单元
460 网络模块
SW1 电源控制开关
T 时间
T1 特定时间
R1 判断结果
S_LAN 网络唤醒信号
SC2 第二控制信号
Pin 输入电源
510 红外线模块
520 红外线遥控器
S_IR 红外线唤醒信号
TH1 特定临界值
802～820、902～944 步骤
具体实施方式
请参考图1，图1为本发明具有省电功能的嵌入式系统100的第一实施例的示意图。嵌入式系统100包含有(但不局限于)中央处理单元110、检测与控制单元120以及工作频率产生单元130。中央处理单元110用以控制嵌入式系统100的运作，例如存储器140、闪存150或者其它外设装置160等。于本实施例中，检测与控制单元120是设置于中央处理单元110的内部，用来检测中央处理单元110的特定运作状态S1，以产生控制信号SC1。工作频率产生单元130是耦接于检测与控制单元120以及中央处理单元110，用来依据控制信号SC1来设定工作频率信号CLKout给中央处理单元110。
请注意，工作频率产生单元130可由锁相回路(phase lock loop，PLL)来实践之，则工作频率产生单元130会依据输入频率信号CLKin与控制信号SC1来产生工作频率信号CLKout。请再注意，特定运作状态S1可包含中央处理单元110的使用率或者负载状态，但本发明并不局限于此，亦可为其它条件。如此一来，当检测与控制单元120检测到中央处理单元110的使用率或者负载状态较低(例如小于特定临界值TH1)时，可以发出控制信号SC1给工作频率产生单元130，以将输入频率信号CLKin转换成频率较低的工作频率信号CLKout，例如将500MHz降低至250MHz，以节省中央处理单元110的功耗(power consumption)；而当检测与控制单元120检测到中央处理单元110的使用率或者负载状态较高(例如大于特定临界值TH1)时，可以控制工作频率产生单元130提供频率较高的工作频率信号CLKout。此外，特定临界值TH1的数值可视实际需求而设定之，此并非本发明的限制条件。
于本实施例中，工作频率产生单元130是位于中央处理单元的外部，但此并非本发明的限制条件，工作频率产生单元亦可设置于中央处理单元的内部。请参考图2，图2为本发明具有省电功能的嵌入式系统200的第二实施例的示意图。如图2所示，嵌入式系统200的检测与控制单元220以及工作频率产生单元230是设置在中央处理单元210的内部。
请参考图3，图3为本发明具有省电功能的嵌入式系统300的第三实施例的示意图。图3所示的嵌入式系统300的架构是与图1所示的嵌入式系统100类似，两者不同之处在于嵌入式系统300采用选择单元330来实践工作频率产生单元，其中选择单元330依据SC1控制信号而自多个相异的输入频率信号CLK1～CLKn中选择其一以作为工作频率信号CLKout。
值得注意的是，图1至图3所揭露的嵌入式系统100～300是适用于工作模式(active mode)下的省电机制，通过检测中央处理单元的负载状态或者使用率，来动态调整中央处理单元的工作频率信号，以达节省功耗的目的。
请参考图4，图4为本发明具有省电功能的嵌入式系统400的第四实施例的示意图。如图4所示，嵌入式系统400包含(但不局限于)中央处理单元410、判断单元420、电源门控430以及网络模块460。中央处理单元410用以控制嵌入式系统400的运作，例如存储器140、闪存150或者其它外设装置160等。判断单元420是耦接于中央处理单元410，用来判断中央处理单元410处于闲置状态的时间T是否大于特定时间T1，以产生判断结果R1。电源门控(power gating)430包含有第二检测与控制单元440以及电源控制开关SW1，其中第二检测与控制单元440接收判断结果R1，并根据判断结果R1以及网络唤醒信号(wake-on-LAN)S_LAN来产生第二控制信号SC2，而电源控制开关SW1则根据第二控制信号SC2来控制中央处理单元410的输入电源Pin。网络模块460则是用来传送网络唤醒信号S_LAN。
接下来，举几个例子来进行说明。于第一种情况下，当判断结果R1显示中央处理单元410处于闲置状态的时间T大于特定时间T1时，第二检测与控制单元440的第二控制信号SC2会控制电源控制开关SW1不导通以停止输出输入电源Pin至中央处理单元410。于第二种情况下，当判断结果R1显示中央处理单元410处于闲置状态的时间T小于特定时间T1时，第二控制信号SC2并不会控制电源控制开关SW1不导通，以持续输出输入电源Pin至中央处理单元410。于第三种情况下，当第二检测与控制单元440于电源控制开关SW1处于不导通状态下收到网络唤醒信号S_LAN时，第二控制信号SC2会控制电源控制开关SW1导通以恢复输出输入电源Pin至中央处理单元410。换言之，第二检测与控制单元440依据判断结果R1以及网络唤醒信号S_LAN来控制电源控制开关SW1的导通与否，以于中央处理单元410处于闲置状态的时间T很长时，停止输出输入电源Pin至中央处理单元410以节省功耗，却又能够在中央处理单元410需要工作时(例如收到网络唤醒信号S_LAN)实时醒来。
请注意，上述的嵌入式系统400可为网络附属储存装置(NetworkAttached Storage，NAS)或客户终端设备(Customer Premise Equipment，CPE)，但本发明并不局限于此，亦可为任一设置有网络模块的嵌入式系统。
请参考图5，图5为本发明具有省电功能的嵌入式系统500的第五实施例的示意图。图5所示的嵌入式系统500的架构是与图4所示的嵌入式系统400类似，两者不同之处在于嵌入式系统500还包含有红外线模块510，红外线模块510用来接收来自红外线遥控器520的红外线唤醒(wake-on-IR)信号S_IR，而第二检测与控制单元440则根据判断结果R1以及红外线唤醒信号S_IR来产生第二控制信号SC2。
请注意，上述的嵌入式系统500可为机上盒(Setup Box，STB)或数字媒体配接器(Digita1 Media Adapter，DMA)，但本发明并不局限于此，亦可为任一设置有红外线模块的嵌入式系统。
值得注意的是，图4至图5所揭露的嵌入式系统400～500是适用于休眠模式(sleep mode)下的省电机制，由于嵌入式系统400～500处于闲置状态的时间T已经超过特定时间T1时，可以将中央处理单元410的输入电源Pin完全断电，以作到真正的省电。
请参考图6，图6为本发明具有省电功能的嵌入式系统600的第六实施例的示意图。嵌入式系统600为图1所示的嵌入式系统100以及图5所示的嵌入式系统500两者的合并。换言之，嵌入式系统600具有嵌入式系统100以及嵌入式系统500所具备的省电功能。因此，嵌入式系统600可同时适用于工作模式以及休眠模式下的省电机制。
请参考图7，图7(包含有图7A、图7B以及图7C)为图1至图6所示的嵌入式系统的省电机制的示意图。其中，图7A表示图1至图3的嵌入式系统100～300的省电机制，图7B表示图4至图5的嵌入式系统400～500的省电机制，以及图7C则表示图6嵌入式系统600的省电机制。如图7A所示，当中央处理单元的负载状态或者使用率较低(小于特定临界值TH1)时，动态降低中央处理单元的工作频率信号CLKout的频率；反之，当中央处理单元的负载状态或者使用率较高(大于特定临界值TH1)时，动态提高中央处理单元的工作频率信号CLKout的频率。如图7B所示，当中央处理单元处于闲置状态的时间T大于特定时间T1时，由工作模式进入待机模式，再由待机模式进入休眠模式以关闭中央处理单元的输入电源Pin；当收到网络唤醒信号或者红外线唤醒信号时，由休眠模式回到待机模式并回到工作模式。图7C则为图7A与图7B的合并。
请参考图8，图8为本发明应用于嵌入式系统的省电方法的一操作范例的流程图，其包含以下的步骤(请注意，假若可得到大致相同的结果，则下列步骤并非限定要依据图8所示的顺序来执行)：
步骤802：开始。
步骤804：检测嵌入式系统的中央处理单元的特定状态，以产生控制信号；其中特定状态包含中央处理单元的使用率或者负载状态。
步骤810：当中央处理单元的使用率或者负载状态小于特定临界值时，设定频率较低的工作频率信号给中央处理单元。
步骤820：当中央处理单元的使用率或者负载状态大于特定临界值时，设定频率较高的工作频率信号给中央处理单元。
关于图8所示的各步骤请搭配图1～图3所示的各元件以及图7A所示的省电机制的示意图，即可了解各元件之间如何运作，而为了说明书内容简洁起见，故图8中各步骤的操作便不再赘述。
请参考图9，图9为本发明应用于嵌入式系统的省电方法的一操作范例的流程图，其包含(但不局限于)以下的步骤：
步骤902：开始。
步骤904：判断中央处理单元处于闲置状态的时间是否大于特定时间。当中央处理单元处于闲置状态的时间大于特定时间时，执行步骤906；反则，执行步骤940。
步骤906：产生判断结果。
步骤908：接收判断结果，并根据至少判断结果来产生第二控制信号。
步骤910：控制电源控制开关不导通以停止输出输入电源至中央处理单元。
步骤920：接收网络唤醒信号。
步骤922：根据判断结果与网络唤醒信号来产生第二控制信号。
步骤924：第二控制信号控制电源控制开关导通以恢复输出输入电源至中央处理单元。
步骤930：接收红外线唤醒信号。
步骤932：根据判断结果与红外线唤醒信号来产生第二控制信号。
步骤940：产生判断结果。
步骤942：接收判断结果，并根据至少判断结果来产生第二控制信号。
步骤944：控制电源控制开关导通以继续输出输入电源至中央处理单元。
关于图9所示的各步骤请搭配图4～图5所示的各元件以及图7B所示的省电机制的示意图，即可了解各元件之间如何运作，而为了说明书内容简洁起见，故图9中各步骤的操作便不再赘述。其中，步骤906～910为中央处理单元长时间处于闲置状态的情况，此时会进入休眠模式并停止输出输入电源至中央处理单元；步骤920～932是指在中央处理单元进入休眠模式后收到唤醒信号(网络唤醒信号或者红外线唤醒信号)，此时会离开休眠模式以继续输出输入电源至中央处理单元。
值得注意的是，上述流程的步骤仅为本发明所举可行的实施例，并非限制本发明的限制条件，且在不违背本发明的精神的情况下，此些方法可还包含其它的中间步骤或者可将几个步骤合并成单一步骤，以做适当的变化。此外，将图8以及图9的步骤合并，即可了解图6中各元件之间如何运作。
请参考图10，图10为本发明所揭露的嵌入式系统与传统嵌入式系统的功耗比较图。如图10所示，传统嵌入式系统的功耗在工作模式下为8.8W、在工作模式下的闲置状态为7.6W、在待机模式下为7.3W(没有休眠模式)。而本发明所揭露的嵌入式系统的功耗在工作模式下为8.8W、在工作模式下的闲置状态为6.3W、在待机模式下为4.5W、在休眠模式下为0.1W。当采用本发明所揭露的第一种省电机制(亦即图7A所示的省电机制)时，可以减少在工作模式下的闲置状态的功耗(6.3W＜7.6W)，而在采用本发明所揭露的第二种省电机制(亦即图7B所示的省电机制)，可以减少在休眠模式下的功耗。举例而言，倘若使用者一天当中真正使用嵌入式系统的时间只有3个小时，其余时间都是处于闲置状态(假设为1个小时)以及待机模式/休眠状态(假设为20个小时)，则传统嵌入式系统的平均功耗约略为7.5W，而本发明所揭露的嵌入式系统的平均功耗仅有1.45W，相较之下，本发明所揭露的省电机制可以大幅降低嵌入式系统的功耗。
以上所述的实施例仅用来说明本发明的技术特征，并非用来局限本发明的范畴。由上可知，本发明提供一种具有省电功能的嵌入式系统及其相关省电方法。通过检测中央处理单元的负载状态或者使用率，来动态调整中央处理单元的工作频率，可以节省嵌入式系统在工作模式下的功耗。此外，在嵌入式系统处于闲置状态的时间T已经超过特定时间T1时，可以让嵌入式系统进入休眠模式，并将中央处理单元的输入电源完全断电，以作到真正的省电。再配合低功耗的第二检测与控制单元来判断是否有接收到唤醒信号，来让嵌入式系统可以及时醒来(wake-up)，以顾及产品原有的效能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (31)
1.一种具有省电功能的嵌入式系统，包含有：
中央处理单元，用以控制该嵌入式系统的运作；
检测与控制单元，设置于该中央处理单元的内部，用来检测该中央处理单元的特定运作状态，以产生控制信号；以及
工作频率产生单元，耦接于该检测与控制单元，用来依据该控制信号来设定工作频率信号给该中央处理单元。
2.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其中该工作频率产生单元是设置于该中央处理单元的外部或者内部。
3.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其中该特定运作状态包含该中央处理单元的使用率。
4.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其中该特定运作状态包含该中央处理单元的负载状态。
5.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其中该工作频率产生单元为锁相回路，用来依据输入频率信号与该控制信号以产生该工作频率信号。
6.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其中该工作频率产生单元为选择单元，用来依据该控制信号而自多个输入频率信号中选择其一以作为该工作频率信号。
7.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其还包含：
判断单元，用来判断该中央处理单元处于闲置状态的时间是否大于特定时间，以产生判断结果；以及
电源门控，包含有：
电源控制开关，用以根据第二控制信号来控制该中央处理单元的输入电源；以及
第二检测与控制单元，用以接收该判断结果，并根据至少该判断结果来产生该第二控制信号。
8.根据权利要求7所述的嵌入式系统，其中当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该第二控制信号控制该电源控制开关不导通以停止输出该输入电源至该中央处理单元。
9.根据权利要求7所述的嵌入式系统，还包含有：
网络模块，用来传送网络唤醒信号；
其中该第二检测与控制单元还耦接于该网络模块以接收该网络唤醒信号，并根据该判断结果与该网络唤醒信号来产生该第二控制信号。
10.根据权利要求9所述的嵌入式系统，其中当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该第二控制信号控制该电源控制开关不导通以停止输出该输入电源至该中央处理单元；以及当该第二检测与控制单元于该电源控制开关处于不导通状态下收到该网络唤醒信号时，该第二控制信号控制该电源控制开关导通以输出该输入电源至该中央处理单元。
11.根据权利要求8所述的嵌入式系统，其为网络附属储存装置或客户终端设备。
12.根据权利要求7所述的嵌入式系统，还包含有：
红外线模块，用来接收红外线唤醒信号；
其中该第二检测与控制单元还耦接于该红外线模块以接收该红外线唤醒信号，并根据该判断结果与该红外线唤醒信号来产生该第二控制信号。
13.根据权利要求12所述的嵌入式系统，其中当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该第二控制信号控制该电源控制开关不导通以停止输出该输入电源至该中央处理单元；以及当该第二检测与控制单元于该电源控制开关处于不导通状态下收到该红外线唤醒信号时，该第二控制信号控制该电源控制开关导通以输出该输入电源至该中央处理单元。
14.根据权利要求12所述的嵌入式系统，其为机上盒或数字媒体配接器。
15.一种具有省电功能的嵌入式系统，包含有：
中央处理单元，用以控制该嵌入式系统的运作；
判断单元，用来判断该中央处理单元处于闲置状态的时间是否大于特定时间，以产生判断结果；以及
电源门控，包含有：
电源控制开关，用以根据控制信号来控制该中央处理单元的输入电源；以及
检测与控制单元，用以接收该判断结果，并根据至少该判断结果来产生该控制信号。
16.根据权利要求15所述的嵌入式系统，其中当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该控制信号控制该电源控制开关不导通以停止输出该输入电源至该中央处理单元。
17.根据权利要求15所述的嵌入式系统，还包含有：
网络模块，用来传送网络唤醒信号；
其中该检测与控制单元还耦接于该网络模块以接收该网络唤醒信号，并根据该判断结果与该网络唤醒信号来产生该控制信号。
18.根据权利要求17所述的嵌入式系统，其中当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该控制信号控制该电源控制开关不导通以停止输出该输入电源至该中央处理单元；以及当该检测与控制单元于该电源控制开关处于不导通状态下收到该网络唤醒信号时，该控制信号控制该电源控制开关导通以输出该输入电源至该中央处理单元。
19.根据权利要求15所述的嵌入式系统，还包含有：
红外线模块，用来接收红外线唤醒信号；
其中该检测与控制单元还耦接于该红外线模块以接收该红外线唤醒信号，并根据该判断结果与该红外线唤醒信号来产生该控制信号。
20.根据权利要求19所述的嵌入式系统，其中当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该控制信号控制该电源控制开关不导通以停止输出该输入电源至该中央处理单元；以及当该检测与控制单元于该电源控制开关处于不导通状态下收到该红外线唤醒信号时，该控制信号控制该电源控制开关导通以输出该输入电源至该中央处理单元。
21.一种应用于嵌入式系统的省电方法，包含有：
检测该嵌入式系统的中央处理单元的特定状态，以产生控制信号；以及
依据该控制信号来产生工作频率信号给该中央处理单元。
22.根据权利要求21所述的省电方法，其中该特定状态包含该中央处理单元的使用率。
23.根据权利要求21所述的省电方法，其中该特定运作状态包含该中央处理单元的负载状态。
24.根据权利要求21所述的省电方法，其中依据该控制信号来产生该工作频率信号的步骤包含：
依据输入频率信号与该控制信号以产生该工作频率信号。
25.根据权利要求21所述的省电方法，其中依据该控制信号来产生该工作频率信号的步骤包含：
依据该控制信号而自多个输入频率信号中选择其一以作为该工作频率信号。
26.根据权利要求21所述的省电方法，其还包含：
判断该中央处理单元处于闲置状态的时间是否大于特定时间，以产生判断结果；
接收该判断结果，并根据至少该判断结果来产生第二控制信号；以及
根据该第二控制信号来控制该中央处理单元的输入电源。
27.根据权利要求26所述的省电方法，其中根据该第二控制信号来控制该中央处理单元的该输入电源的步骤包含：
当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该第二控制信号停止输出该输入电源至该中央处理单元。
28.根据权利要求26所述的省电方法，其还包含：
接收网络唤醒信号；以及
根据至少该判断结果来产生该第二控制信号的步骤包含：
根据该判断结果与该网络唤醒信号来产生该第二控制信号。
29.根据权利要求26所述的省电方法，其还包含：
接收红外线唤醒信号；以及
根据至少该判断结果来产生该第二控制信号的步骤包含：
根据该判断结果与该红外线唤醒信号来产生该第二控制信号。
30.一种应用于嵌入式系统的省电方法，包含有：
判断该嵌入式系统的中央处理单元处于闲置状态的时间是否大于特定时间，以产生判断结果；
接收该判断结果，并根据至少该判断结果来产生控制信号；以及
根据该控制信号来控制该中央处理单元的输入电源。
31.根据权利要求30所述的省电方法，其中根据该控制信号来控制该中央处理单元的该输入电源的步骤包含：
当该判断结果显示该中央处理单元处于该闲置状态的时间大于该特定时间时，该控制信号停止输出该输入电源至该中央处理单元。
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