CN102171626A - 用于在微处理器中节省能量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行电子系统的方法，在该方法中调节该系统的至少一部分的能量消耗，使得基于电流的至少一个在该系统内检测的时间变化过程（IFE1,…,IFEn）而形成电流值的至少部分由电路技术生成的梯度值（diFE1,…,diFEn），以及基于该梯度值对该系统的至少一个物理参数进行电路技术的操作。此外本发明还涉及用于执行该方法的装置。

Description

用于在微处理器中节省能量的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分用于运行电子系统的方法，以及一种根据权利要求13的前序部分用于运行电子系统的装置。

背景技术

能量获取和能量利用越来越受到关注，不仅是因为成本，而且最近在针对全球变暖的讨论或一般性地针对资源有效利用的讨论的范围内也是如此。

这也同时导致法律规定的出台以及导致顾客行为的改变，这些同样要求对能量需求的优化。

出于这个原因，关于能量节省的主题也在通信系统的环境中，尤其是对于该环境中的有线设备变得越来越重要。

为了优化电子系统的能量消耗，在此公知很多主要基于以下途径的方法：

第一途径在于，在由多个至少部分地互相独立的子系统组成的系统中仅将在给定时刻需要的子系统保持为活跃的，在给定时刻需要的子系统例如是数据接口、仅在相应的数据流量或运行状态情况下的人机接口以及中央处理单元（CPU）。该途径也作为所谓的“休眠模式”或“空闲模式”公知。

另一个途径在于，该系统或相应的子系统尤其是在CPU单元等等的情况下依据负载地用与相应的运行状态匹配的能量馈送来运行。在此利用以下公知事实，即这种实施的能量消耗基本上与时钟频率成比例，例如在DE 692 29819 T2；US 2007/0 076498 A1和US 2007/0 088962 A1中公开的。在此有缺陷的是，时钟减少在此当然会导致（计算机）性能的相应恶化。

该措施主要是在由于对该系统的动态要求，例如对所谓的“刷新”或唤醒行为提出的要求而使该系统的完全停止切换变得不可能时被引入的。

在这些途径中的关键之处在于，确定相关的指示器，这些指示器允许相应的系统转移到上述运行状态之一中以及在需要时可靠地并且在匹配的时间段之后又返回到正常状态。

通常尝试通过合适的软件实施来实现这一点，该软件实施例如通过所谓的“调度器”而具有关于正在进行的运行状态的认识并且将该认识用于控制或调节能量节省运行状态。

发明内容

本发明的任务是提供一种装置和一种方法，它们改善了在电子设备、尤其是通信技术设备中的上述优化。

该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求13的特征的装置解决。

在本发明的用于运行电子系统的方法中，调节该系统的至少一部分的能量消耗，尤其是电流消耗，使得基于电流的至少一个在该系统内检测的时间变化过程而形成电流值的至少部分由电路技术生成的梯度值，并且基于该梯度值对该系统的至少一个物理参数进行电路技术的操作。

本发明方法的优点之一在于用几乎仅电路技术的实现就减少能量消耗的可能，因为电流消耗被用作指示。此外，通过创造性的方式认识到，在本身平时恒定的电路参数的情况下随着电子系统的活动增加，电流需要增加并且由此所消耗的能量数量增加。因此，电流的斜率（梯度）可以通过创造性的方式被用作针对电子系统的活动变化过程的指示器。

优选的，本发明在此以有利的方式被扩展为，作为操作执行对该系统的至少一个时钟信号的调节，因为由此可以在正梯度时以及由此在所操作的电路的活动增加时保证更高的时钟，而在通过负斜率表明的活动减少时可以减少时钟以及由此减少能量消耗。

对本方法的尽可能纯电路技术的实现的贡献通过有利方式这样来获得，即电流变化过程被输送给模拟数字转换器“A/D转换器”，其中该A/D转换器的输出信号被输送给梯度值生成器。

该贡献在本发明按照以下方式被扩展时进一步提高，即所述操作，尤其是时钟信号调节，通过“现场可编程门阵列”FPGA来启动。由此另外还实现了灵活性，因为通过该阵列的可编程性在实施本方法时以及在执行本方法时都保证了进一步的自由度。

优选的，在此在通过FPGA、即在FPGA一侧进行时钟信号调节的情况下，将时钟信号作为FPGA的输出信号转发给所述系统。由此在提供所述附加自由度并且此外还实现了集成可能以及由此还实现了空间节省可能的电路元件中实现该时钟信号调节。此外，FPGA由于其常见性而可以成本低廉地获得。

可替换的，本发明还可以被扩展为，所述操作，尤其是时钟信号调节通过“锁相回路”PLL来启动。由此同样支持了对本方法的电路技术的实现。

优选的，在此有利地采用该PLL，使得在PLL一侧进行时钟信号调节的情况下将时钟信号作为PLL的输出信号转发给所述系统。

如果对时钟信号的调节涉及该时钟信号的频率，则直接影响所调节的（子）系统的活动。由此这也影响该调节的速度。

尤其是当人们期望保证以纯的电路技术不能实现的特殊自由度时，本发明的扩展是，对该系统的操作通过至少一个过程来控制，其中特别有利的是尤其是在该系统的始终活跃的部件中执行该过程，因为该操作一方面同样提供了所述自由度，另一方面尤其是在反正不会部分或完全停止的部件中执行的情况下实现了，可被停止的部件不需要因为该过程的执行而被保持为活跃。

在一种扩展中，所述操作有利地这样执行，即该操作参数化地进行，而且是以可确定对梯度值的反应的方式。由此例如可以采用匹配单独愿望或技术预定参数的用户设置，或在稍后时刻匹配该用户设置。

如果通过所述操作准备好所述输出信号，使得系统外部的设备被操作，则根据本发明的效果可以在不更改现有系统的情况下通过有利的方式转用于该系统外部的设备。

本发明的用于运行电子系统的装置被构成为，设置用于执行根据上述方法权利要求之一的方法的器件，并且由此实现和支持本发明方法的优点及其扩展的优点。

在此，该装置有利地被扩展为，所述器件至少部分地构成为高度集成的电路。由此可以节省空间地、高效率地以及通过可能的大批量生产特别有利地将本发明的方法构建到电子系统中。

附图说明

下面借助在图1和图2中示出的本发明的实施例详细解释本发明的其它优点以及细节。在此：

图1示出实现本发明方法的电子系统的实施例，

图2示例性示出与本发明相关的各个信号的相关性。

具体实施方式

下面描述的本发明方法的实施例根据本发明使用硬件（HW）实施来排他地或根据重点地控制或调节能量节省运行状态。

这具有稍后将会详细解释的显著优点。

替换或补充的，这可以通过合适的软件实施来得到支持。这尤其是在所述控制或调节不是排他地进行，而是应当根据重点进行的情况下是有意义的。

正如已经解释过的，所示出的本发明方法的实施基于电子系统的物理特性，根据该特性在给定供电电压和给定时钟频率的情况下电流消耗随着该系统的活动增加而上升。

该特性的理由在于，随着活动的增加激活了大量的子功能单元，由此因为类似电容的电路技术元件如CPU中的功能单元、存储元件中的存储单元、总线系统等等的再充电而需要能量。

本发明在此考虑的是，所述上升的绝对大小以及所述时间变化过程都取决于特定的实施。但是所基于的关系在实际上所有情况下都提供了针对活动的变化过程的可利用指示，从而本发明可以有利地在几乎所有电子系统中实施。

所示出的实施例的原理基于：测量（子）系统的当前电流消耗，并且通过根据本发明与具体电路匹配的信号的时间微分来确定电流梯度的变化过程。

该梯度又被用于通过本发明的HW电路针对能量消耗来控制或调节该系统，例如通过激活或停止控制信号或者尤其是通过调节时钟频率。

正梯度在此导致该（子）系统的时钟频率的增大，负梯度导致该（子）系统的时钟频率的减小。

下面描述本发明方法的上述原理性解释过的实施例的具体电路技术实现。

为了保证清楚性，该显示在此限于对时钟频率的调节。对其它或进一步的适用于影响能量消耗的调节参数的控制或调节当然也是可以的。这尤其是在功能单元包含允许通过寄存器设置进行调节的前导功率（Vorleistung）的情况下是有意义的。

在图1中示例性示出（子）系统的功能单元FE1至FEn E1…FN1，在此所示出的电子系统的功能单元FE1至FEn根据该实施例由电压供应装置VCC1至VCCn馈电。

相应的瞬时时钟供应在该图中通过信号CLK1至CLKn给出。

相应的瞬时电流消耗在此从该图中给定的该实施例的信号IFE1至IFEn中提取。根据本发明，测量相应的电流消耗。这在图中用块M表示的单元中进行。

在下个步骤中，从中执行电流消耗的时间微分，并根据测量值miFE1至miFEn的时间微分确定电流梯度diFE1至diFEn。

这些电流梯度现在被输送给调节装置REGELUNG1…REGELUNGn，然后这些调节装置生成调节信号RCLK1至RCLKn，而这些调节信号又与主时钟MCLK1至MCLKn一起在时钟发生器单元TGA1…TGAn中调节时钟供应（时钟信号）CLK1至CLKn。

还可以看出，在该实施例中所有调节信号与所有时钟发生器单元连接，从而能以有利的方式考虑和使用这些功能单元相互之间的相关性。

在图2中示例地示意性示出前面描述的电流消耗IFEx、为此确定的电流梯度diFEx以及所产生的调节信号RCLKx和由此产生的时钟供应信号CLKx之间的相关性。

在此可以再次解释本发明的思考过程。可以看出，在第一时刻T1由于活动增多使得该系统的电流消耗升高。根据正梯度，现在根据本发明与相应的调节规则组合地生成调节信号，该调节规则是一种实施细节，该实施细节是根据本发明要调节的电子系统的要求来开发的，也就是例如通过仿真得到优化或匹配，该调节信号通过时钟发生器单元在第二时刻T2导致时钟供应的频率发生所定义的提高。

在这种情况下，在图中可看出的通过提高时钟信号的频率引起的、在第二时刻T2和第三时刻T3之间的电流消耗IFEx的升高被调节—相应于为示例性的电路所采用的调节规则—所忽略。

但是在第四时刻T4，活动的减少导致负电流梯度diFEx，该负电流梯度通过调节和时钟发生器单元导致时钟频率CLKx在第五时刻T5发生所定义的下降。由此产生的电流消耗IFEx的减少根据所采用的调节规则又被忽略，该电流消耗的减少可在该图中看出并且在第五时刻T5和第六时刻T6之间出现。

通过再次减少系统活动而引起的电流消耗IFEx在第七时刻T7的减少导致时钟频率重新下降。该下降在该示例中小于在第五时刻T5的下降；频率的改变（与一般的调节行为一样）可以通过所述调节规则与相应的系统匹配。

所描述的功能单元的具体技术实施可以通过多种方式实现，并且强烈取决于所述系统的类型。

在通信终端设备的环境中，尤其是针对电流消耗提供借助A/D转换器的实施，以及补充地还提供在FGPA中对调节和时钟发生器单元的实施，例如具有直接的时钟输出或者与PLL组合地。

所述实施的成本与可达到的节省潜力相比是可忽略的。在特定的应用中，还可以设想所述调节不是以HW而是以软件实现，例如作为也出于其它原因总是活跃的功能单元的部件来实现。

此外还可以将本发明的方法有利地集成在高度集成的组件中，特别是在所谓嵌入式系统的环境中。除了管理组件内部的功能块之外，还可以通过提供相应的资源来控制外部的块。所述调节规则在此可以通过相应的参数化选项来灵活地构成。

在此所描述的方法的一个重要优点在于，与由软件控制的途径不同，所述能量消耗优化以纯硬件技术来实现。也就是说，尤其是在软件方面不需要具有关于所基于的硬件体系结构的“认识”，而且在软件中也不需要置入相应的实施。

这尤其是在如典型地在嵌入式系统中通常存在多个功能单元/计算单元而没有明确的操作系统或调度器概念时是有利的。

通常在嵌入式系统中还使用这样的程序，即对于这样的程序并不存在源代码，从而不能或几乎不能进行匹配。此外，由SW（软件）控制的措施的前提条件是，至少一个单元处于运行中以执行所述调节。

在此所描述的方法原则上允许非常复杂的调节机制；但是在大多数使用情况下假定：相对简单的实施就足以实现大部分潜在的节省潜力，如下面以本发明在（通信）终端设备中的使用为例所谈到的。

本方法的一个重要优点还在于，当相对频繁地，例如在秒范围或分范围中执行系统的“周期性的”活动，例如轮询中断、数据库更新、文件系统清除等等时也会保证效力，因为根据本发明的调节在毫秒范围中起作用。

为了进一步展示本发明的方法、其它优点以及合适的系统，应当示例地在没有图形显示的情况下解释在有线通信终端设备中的实现。在此很明显，本方法的使用不限于该使用情况，而是原则上可应用于所有电子系统中。

为此作为合适的系统考察西门子企业通信网络（Siemens Enterprise Communication Networks）公司的OpenStage系列的终端设备，这些终端设备主要通过它们的网络技术（基于时分多路复用“TDM”或互联网协议IP）以及通过人机接口（MMI）和可获得的关于应用的功能来区分。

除了诸如数据接口、键盘、显示器或语音处理的共用的功能单元之外，但是这些共用的功能单元一部分实施得不同，原则上还存在不同的功能，例如仅在OpenStage系列的基于IP的设备中存在的以太网交换机。

由此，在本发明的时刻所实现的这些设备的正常运行产生针对能量需求的不同值，该能量需求位于大约2W和15W之间。由此在产品使用期限内，针对能量的运行成本累计达到设备成本数量级的值。

在所述终端设备的特定情况下，在此区分两种运行状态就足以实现大部分能量节省潜力：活跃状态和备用状态。活跃状态在此包括呼叫状态和通话状态（有非手持式对讲和没有非手持式对讲），其余时间的特征在于备用状态。根据常见的流量值，产生大约95%的备用状态份额。因此在这种情况下目标不是在活跃状态下进行优化，而是必须将备用状态下的能量需求减少到最小。

这通过本发明的方法可以非常简单和有效地实现。在备用状态下，将系统计算功率以及接口的功能减少到足以识别进入的对该设备的要求的程度就足够了，该要求例如是键按压或通过数据接口的消息流量。由于这些要求而升高的电流消耗通过本发明的调节被转换，使得直接达到最大的时钟频率以由此确保该系统的最佳的计算功率和尽可能快的反应时间。在此，根据本发明有利地对所述调节参数化，使得在减少电流消耗的情况下逐步减小时钟频率，以保证仅当确实出现备用状态时才收回计算功率。因此在该使用情况下非常简单的调节就足够了。

而且本方法特别有利的是，不需要将以不同的变型和配置在设备中实施的不同的软件程序绑定到该过程中；也就是在任何时刻都“自动”提供所需要的计算功率，其中平均能量消耗被同时降低到一小部分。

Claims (14)

1.一种用于运行电子系统的方法，在该方法中调节该系统的至少一部分、即所谓的功能单元的能量消耗，使得

i. 基于电流的至少一个在该系统内检测的时间变化过程（IFE1,…,IFEn）而形成电流值的至少部分由电路技术生成的梯度值（diFE1,…,diFEn），

ii. 基于该梯度值（diFE1,…,diFEn）对该系统的至少一个物理参数进行电路技术的操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为操作进行对所述系统的至少一个时钟信号（CLK1,…CLKn）的调节（调节1,…调节n）。

3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，电流变化过程被输送给模拟数字转换器“A/D转换器”（M1,…,Mn），其中该A/D转换器的输出信号（mi FE1,…,mi FEn）被输送给梯度值生成器（d/dt）。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述操作，尤其是时钟信号调节，通过“现场可编程门阵列”FPGA（TGA1,…,TGAn）来启动。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在通过所述FPGA、即在FPGA一侧进行时钟信号调节的情况下，将时钟信号（CLK1,…CLKn）作为FPGA（TGA1,…,TGAn）的输出信号转发给所述系统。

6.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述操作，尤其是时钟信号调节，通过“锁相回路”PLL来启动。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在PLL一侧进行时钟信号调节的情况下将时钟信号作为PLL的输出信号转发给所述系统。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对时钟信号的调节涉及该时钟信号的频率，其中该频率的改变优选地通过调节规则来进行。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对所述系统的操作通过至少一个过程来控制，其中尤其是在该系统的始终活跃的部件中执行该过程。

10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述操作被参数化地执行，使得能确定对梯度值的反应。

11.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述操作准备好所述输出信号，使得所述系统外部的设备被操作。

12.一种用于运行电子系统的装置，其特征在于，设置用于执行根据上述方法权利要求之一的方法的器件。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述器件至少部分地构成为高度集成的电路。

14.根据权利要求1至11之一所述的方法或根据权利要求12和13之一所述的装置，其特征在于，所有调节信号（CLK1,…CLKn）与引起时钟信号调节的时钟发生器单元（TGA1,…,TGAn）连接，由此考虑和利用所述系统的功能单元（FE1,…,FEn）相互之间的相关性。

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