CN102931655A - 一种动态调节电压和频率的电路控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动态调节电压和频率的电路控制系统和方法。该系统包括查询表模块，用于存储目标电路在一种或多种工作条件下的电压频率对应关系曲线组合表；转换模块，用于根据查询表模块对目标电路工作频率同工作电压进行转换；联合调节模块，用于对目标电路工作频率和工作电压进行联合调节。其自动化程度高，对电路的工作电压和工作频率的调节安全可靠，达到调节优化的效果。

Description

一种动态调节电压和频率的电路控制系统和方法
技术领域
本发明涉及电路控制技术领域，特别是涉及一种对目标电路进行工作电压和频率进行动态调节的动态调节电压和频率的电路控制系统和方法。
背景技术
众所周知，如果集成电路设计具有更低的功耗，我们就可以获得更低的封装成本、更低的电源成本、更低的散热成本和更高的可靠性，从而增强产品的竞争力。
降低一个电路(以下称目标电路)的功耗，有两个方面的含义，一是降低目标电路在工作状态下的动态功耗，二是降低目标电路在非工作状态下的静态功耗。目标电路在工作状态下和非工作状态下所需的工作频率和工作电压是不同的。如果将工作状态再细化下去，目标电路在不同的应用场景下所需的工作频率和工作电压也不尽相同。如果能够动态调节目标电路在不同的工作状态下的工作频率和工作电压，则当目标电路在执行较为简单的任务/程序时(或是非工作状态时)降低其工作频率和工作电压，在执行较为复杂的任务/程序时提高其工作频率和工作电压，则可以在保证目标电路原有性能的前提下，有效降低目标电路的总体功耗。
传统的控制工作频率和工作电压的系统在针对目标电路的电压和频率进行调节时，过程是较为复杂的。主要是利用软件尤其是操作系统对将要执行的任务或应用程序进行解析，获取运行该任务所需要的工作频率和工作电压，在执行前，预先通过软件分别将目标电路的工作电压和工作频率进行调节，当频率和电压调节到位后，才开始执行任务或应用程序。这种调节方式主要依赖软件，调节模块也会分为许多独立的结构，调节过程复杂，调节时间较长，并极大增加了软件程序的负担。
传统的动态控制工作频率和工作电压的系统针对目标电路的电压和频率进行调节时，调节效率比较低，主要体现在，在目标电路需要工作在较高的频率上时需要提高工作电压，或者是工作在较低的工作频率上时需要降低工作电压，提高或降低工作电压的标准是单一的，并没有对目标电路在制造工艺上的差异或工作环境的差异进行区分。事实上，处于不同工作环境的目标电路，工作在同一频率下所需的最低电压并不相同。如果动态控制工作频率和工作电压的系统不对制造工艺上的差异或工作环境的差异进行区分，则只能使用较高的电压作为统一的调节标准，无法达到尽可能降低工作电压的目的。因此，传统的动态控制工作频率和工作电压的系统无法做到最优化的节能方案。
传统的动态控制工作频率和工作电压的系统针对目标电路的电压和频率进行调节时，对目标电路的调节是简单而直接的。为达到减少调节结构，减低软件负担，传统的动态控制工作频率和工作电压的系统对目标电路的电压或频率进行调节一般都是一步到位，不好解决电压或频率急剧变化给系统造成的冲击，因而不能给系统状态切换过程留下足够的缓冲时间，或者，在缓冲过程中只能被迫暂时中断目标电路的运行。所以，传统的调节系统无法做到足够的安全和快捷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态调节电压和频率的电路控制系统和方法，其自动化程度高，对电路的工作电压和工作频率的调节安全可靠，达到调节优化的效果。
为实现本发明目的而提供的一种动态调节电压和频率的电路控制系统，包括
查询表模块，转换模块，联合调节模块；其中：
所述查询表模块，用于存储目标电路的在一种或多种工作条件下的电压和频率对应关系曲线组合表；
所述转换模块，用于根据查询表模块对目标电路工作频率同工作电压进行转换；
所述联合调节模块，用于对目标电路工作频率和工作电压进行联合调节。
较优地，所述动态调节电压和频率的电路控制系统，还包括扫描模块，用于对目标电路的当前条件下的工作表现进行扫描；
所述扫描模块能对目标电路的当前条件下的工作表现进行状态扫描，并根据状态扫描结果从查询表模块中选择在当前条件下目标电路的电压频率对应关系曲线。
较优地，所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，还包括联合控制模块，用于对目标电路工作频率和工作电压调节进行联合控制；
联合控制模块控制查询模块、扫描模块、转换模块、联合调节模块，并在频率以及电压的联合平滑调节结束时，输出调节结果通知用户。
为实现本发明目的还提供一种电路电压和频率的动态调节控制方法，包括如下步骤：
步骤A，对目标电路的当前条件下的工作表现进行状态扫描，并根据扫描结果或直接通过预设的结果从查询表中选择在当前条件下目标电路的电压频率对应关系曲线；
步骤B，在当前条件下，目标电路执行一工作任务时，获取执行该工作任务所需要的目标频率值，并根据此频率值和获取的电压频率对应关系曲线，换算出所需的目标电压值；
步骤C，根据目标电路的当前条件下频率值同目标频率值的相对关系，以及当前条件下电压值同目标电压值的对应关系，按预先设定的顺序，对目标电路的工作频率和工作电压进行联合平滑调节。
本发明的有益效果是：本发明的动态调节电压和频率的电路控制系统和方法，自动化程度高，在对目标电路进行电压和频率联合调节时，不会增加电路的复杂性，对电路和工作电压和工作频率的调节，充分考虑到调节的安全性和快捷性，对电路的工作电压和工作频率的调节安全可靠，而且，本发明的电路控制系统，其可以在不同的工作场景下，在限定工作电压的前提下提高芯片集成电路工作频率，充分挖掘目标电路的工作性能，获得更好的工作体验，并可以依据目标电路的工艺特性以及不同应用下的性能和功耗特性进行调节，以尽可能达到最优化的节能效果。
附图说明
图1是本发明实施例的动态调节电压和频率的电路控制系统结构示意图；
图2是本发明实施例中工作条件查询表示意图；
图3是频率与电压对应关系示意图；
图4是图1中速度检测电路结构示意图；
图5是图1中频率调节模块电路结构示意图；
图6是图5中频率切换电路结构示意图；
图7是图5中分频电路结构示意图；
图8是本发明实施例中电路电压和频率的动态调节控制方法流程图；
图9是图8中步骤S300中调节频率和调节电压过程流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的动态调节电压和频率的电路控制系统和方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，作为一种可实施方式，本发明实施例的动态调节电压和频率的电路控制系统，包括查询表模块1，扫描模块2，转换模块3，联合调节模块4；
所述查询表模块1，用于存储目标电路的工作表现的工作条件查询表(VF table)。
该工作条件查询表(VF table)包含各种目标电路在多种工作条件下的电压频率对应关系曲线组合表。
所述工作条件包括但不限于不同的制造工艺偏差和工作温度条件。
所述扫描模块2，用于对目标电路的当前条件下的工作表现进行扫描。
所述扫描模块2对目标电路的当前条件下的工作表现进行状态扫描，并根据状态扫描结果从查询表模块1中选择在当前条件下目标电路的电压频率对应关系曲线。
作为一种可实施方式，本发明实施例的扫描模块2包括一速度检测电路21，对设定条件下的目标电路的工作性能表现进行状态扫描。即该速度检测电路，用于对目标电路在当前条件下(如设定电压，设定温度)的所能工作的最高频率、或者是目标电路在当前条件下(如设定频率，设定温度)的所能工作的最低电压进行测量。
所述转换模块3，用于根据查询表模块1对目标电路工作频率同工作电压进行转换。
所述转换模块3在目标电路在当前条件下，执行一工作任务时，获取执行该工作任务所需要的目标频率值，并根据此频率值和扫描模块2获取的电压频率对应关系曲线，换算出所需的目标电压值。
所述联合调节模块4，用于对目标电路工作频率和工作电压进行联合调节。
联合调节模块4根据目标电路的当前频率值同目标频率值的相对关系，以及当前电压值同目标电压值的对应关系，按预先设定的顺序，对目标电路的工作频率和电压进行联合平滑调节。
较佳地，作为一种可实施方式，所述联合调节模块4包括调度模块41，频率调节模块42，以及电压调节模块43。
所述调度模块41，用于按预先设定的顺序调用频率调节模块42和电压调节模块43对工作频率以及工作电压进行联合平滑调节。
所述频率调节模块42，用于通过调节目标电路时钟来源选择、源头频率、分频系数、时钟开关等对目标电路工作频率进行平滑调节。
通过平滑调节尽量降低其对时钟系统和电源系统的有害冲击。
所述的电压调节模块43，用于对目标电路电源供给系统的电压按照设定的顺序进行调节。
较佳地，所述动态调节电压和频率的电路控制系统，还包括联合控制模块5，用于对目标电路工作频率和工作电压调节进行联合控制。
联合控制模块5控制查询模块1、扫描模块2、转换模块3、联合调节模块4，并在频率以及电压的联合平滑调节结束时，输出调节结果通知用户。
下面详细说明本发明实施例的存储目标电路的工作表现的工作条件查询表(VFtable)模块1。
所述目标电路的工作表现，是指由于目标电路在生产制造过程中的个体差异，或者是处于不同的工作环境下，如温度差异，或者在不同的外围配合元器件影响下，如其所处的印刷电路板的差异，而导致每个独立的目标电路，在实际工作中表现出性能上的差异。对有限数量的目标电路的性能表现进行统计学上的处理所获得的总体性能表现范围，即称为目标电路的工作表现。
作为一种可实施方式，对每个独立的目标电路，其在实际工作中的性能表现可以通过实际测量获取。
工作条件查询表(VF table)，是指对目标电路的性能表现进行量化处理，转换成为其工作频率同工作电压对应曲线列表。对每个独立的目标电路，其在实际工作中的性能表现可以通过测量其在多个特定的电压下可以正常运行的最高频率，或是测量其在多个特定频率下正常运行所需的最低电压，然后经过统计即可得出以工作频率和工作电压作为坐标的工作电压同工作频率对应关系曲线。因目标电路多次或多个不同的实现可能导致的性能表现的差异性，会得出多条工作电压同工作频率对应关系曲线表，如表1所示，即VF table。VF table表涵盖目标电路的总体工作表现范围。
表1工作电压同工作频率对应关系曲线表
  电压\工作频率(Mhz)  曲线1  曲线2  曲线3  曲线4
  0.8v  260  240  200  200
  0.9v  310  300  280  270
  1.0v  350  320  300  290
  1.1v  400  370  360  350
  1.2v  430  410  400  390
  1.3v  480  440  430  420
  1.4v  540  504  480  460
工作条件查询表即VF table表，其中包含多条工作频率同工作电压对应曲线。其分别对应了集成电路(Integrated Circuit，IC)的多种不同性能表现。曲线上的各个点定义了目标电路在特定的电压可以正常工作的最高频率。
如图2所示，不同的曲线在相同的频率下可以工作的最低电压不同，其中曲线1在工作频率为500MHz时，所对应的最低工作电压为1.3V；曲线2在工作频率为500MHz时所对应的最低工作电压为1.4V。
如果目标电路的实现在一种应用场合下其性能表现符合曲线1，则当其工作频率处于500MHz时，其允许的最低电压为1.3V。如目标电路在另一应用场合下其性能表现符合曲线2，则当其工作频率处于500MHz时，其允许的最低电压为1.4V。
作为一种可实施方式，本发明实施例的查询表(VF table)数据来源由大量目标电路的实现后通过实际测量后得出。
作为一种可实施方式，对目标电路测量过程为：对目标电路IC进行一电压下的最高频率进行边界扫描，当确定其能工作的最高频率时，保留一定量(预设量)的裕度，并经过长时间稳定性测试后就可得出此目标电路在此电压下得最高频率；或者对目标电路进行一频率下的最低电压进行边界扫描，当确定其能工作的最低电压时，保留一定量的裕度，并经过长时间稳定性测试后即可得出此目标电路在此频率下得最低电压。
两种测量方式可以互相转换，均可得出如图3中的一个频率与电压对应关系点。
当对目标电路进行多个电压下的最高频率或多个频率下的最低电压进行测试，即可得出目标电路在设定工作条件下的一条工作电压同工作频率对应关系曲线。
当对目标电路在不同工作条件下进行测试，以及对目标电路的不同实现在特定工作条件下的工作电压同工作频率对应关系曲线进行测试，则得出多条不同工作电压同工作频率对应关系曲线组合，对所述曲线组合进行统计学上的组合和合并后即可得出若干条电压和频率组合曲线作为目标电路的工作电压同工作频率对应关系曲线，将这些工作电压同工作频率对应关系曲线的数据表进行存储，即可得到查询表模块，即VF table模块。
作为一种可实施方式，本发明实施例的查询表(VF table)模块1中各工作电压同工作频率对应关系曲线的数据保存在本发明实施例的系统的固态存储设备中，其可以在系统初始化阶段导入并存储到系统中。
下面进一步详细描述本发明实施例的扫描模块2：
扫描模块2对目标电路的当前条件下的工作表现进行状态扫描，并根据扫描结果从查询表模块1中选择在当前条件下目标电路的电压频率对应关系曲线。
作为一种可实施方式，本发明实施例的扫描模块2包括一速度检测电路21，对设定条件下的目标电路的工作性能表现进行状态扫描。即该速度检测电路，用于对目标电路在当前条件下(如设定电压，设定温度)的所能工作的最高频率、或者是目标电路在当前条件下(如设定频率，设定温度)的所能工作的最低电压进行测量。
作为一种可实施方式，所述速度检测电路，或者：A)通过调节电压，或调节频率，或调节电路本身延时路径(或是其他因素)获得能正常工作或不能正常工作的结果；或者：B)其正常工作或不能正常工作的结果不影响目标电路自身的正常运行；或者：C)在第一设定条件下能正常工作或不能正常工作的结果可以通过换算得出目标电路在第二特定条件能正常工作或不能正常工作的结果；或者：D)根据速度检测电路的特性的不同，第一设定条件同第二设定条件可以为相同或不同条件。
作为一种可实施方式，所述换算关系可以通过有限数量的测量统计获取。
作为一种可实施方式，所述扫描模块的速度检测电路21，可通过固定延时电路延时级数(或运算电路)、调节输入时钟频率，或者固定输入频率、调节延时路径级数等方法实现。
作为一种可实施方式，扫描模块的速度检测电路21，如图4所示，通过设定电压和设定工作频率(即固定输入频率)下调节自身延时路径长度，通过判断其工作结果，来检测目标电路工作表现。
速度检测电路通过扫描得出的延时级数，可以通过判断其落在延时级数分类统计哪个区间的方式，相对应得出当前目标电路的工作频率与工作电压曲线选择位，即选择查询表(VF table)模块中的多条曲线之一作为当前目标电路的工作电压同工作频率对应关系曲线。
作为一种可实施方式，如图4所示为一速度检测电路21示意图，其中包含激励生成模块211，延时路径模块212，结果比较模块213，以及检测控制模块214。
所述激励生成模块211，用于利用一输入时钟信号产生一个或多个(如占空比为50％)多周期脉冲信号，其脉冲信号经过两段不同的路径电路，即无延时路径电路和延时路径模块212的延时路径电路后分别到达结果比较模块213；
所述延时路径模块212，包括延时路径电路，用于对脉冲信号进行延时，或对输入信号进行运算；
所述结果比较模块213，用于将原始脉冲信号经过无延时路径电路之后的信号和经过延时路径电路之后的脉冲信号之间的相位关系进行比较。
所述检测控制模块214，用于在不同的时序下控制激励生成模块211、延时路径模块212、结果比较模块213进行工作。
当初始延时路径电路的延时路径长度设为0时，所述两脉冲信号相位相同，当延时路径长度逐步增加，两者信号相位逐渐偏离，当延时路径长度增加到一定数值后，所述两脉冲信号相位偏移达到180度，即两信号高低电位相反，此时即可判断为速度检测电路已无法正常工作，此时获得的延时级数即可作为速度检测电路的工作性能表现数据。
如图4所示，作为一种可实施方式，速度检测电路21通过输入设定的电压和设定的工作频率，并逐步增加其延时路径长度(延时单元级数)，则在增加到一定数量的延时级数时，速度检测电路得出无法正常工作的结果，此时所获得的延时级数即可作为速度检测电路的工作性能表现依据。其反映了速度检测电路在当前的工作环境下的速度性能表现，同目标电路在当前的工作环境下的速度性能表现可以进行对应。
速度检测电路通21过扫描得出的延时级数，可以同目标电路的工作频率与工作电压点相对应，例如目标电路速度检测电路在1.2v下扫描出的延时级数为120，则目标电路在1.2v下对应的最高稳定工作频率为450M；而目标电路速度检测电路在1.2v下扫描出的延时级数为150，则其在1.2v下对应的最高稳定工作频率为500M。两者之间的对应关系可通过实验确定。
多个速度检测电路通过扫描得出的延时级数，可以通过分类统计的方式将其划分为4类不同工作表现的区间，如同样在1.2v下，延时级数高于180为第1区间，为180-150位于第2区间，150-120位于第3区间，120以下为第4区间。多个延时级数区间可以同多类不同工作表现的目标电路相对应，即同查询表(VF table)中的多条目标电路的工作频率与工作电压曲线相对应。如区间1对应VF table表中的曲线1，区间2对应VF table表中的曲线2等等。
较佳地，所述速度检测电路21为一份或者多份，分别针对影响目标电路运行的多处关键电路进行监控，即尽量使速度检测电路靠近影响目标电路运行的关键电路以获取相同的工作条件，便于通过速度检测电路的检测结果换算出目标电路运行的结果。
下面详细描述本发明实施例的转换模块3：
所述转换模块3在当前条件下，目标电路执行一工作任务时，获取执行该工作任务所需要的目标频率值，并根据此频率值和扫描模块获取的电压频率对应关系曲线，换算出所需的目标电压值。
当目标电路需要完成当前条件下的应用时，获取当前条件下目标电路的所需的目标频率值，并通过扫描模块2根据查询表(VF table)选择得到当前条件下的工作频率和工作电压对应关系曲线后，转换模块3根据该当前条件下的工作电压同工作频率对应关系曲线，计算并转换出当前条件下目标电路能工作在此频率下所需的电压值。
该当前条件下的工作电压同工作频率对应关系曲线，由扫描模块2的速度检测电路21进行状态扫描并根据其结果选择得到。
较佳地，所述转换模块3包括目标频率获取模块31，用于获取当目标电路需要执行一工作任务时，所需的目标频率值。
目标频率获取模块31可以通过监测目标电路时钟配置信息的变化，包括如时钟源头选择，时钟源头频率配置，时钟分频设置等信息的变化，并根据目标电路当前时钟配置信息和运行下一工作任务所需的时钟配置信息，分别计算目标电路当前工作频率和目标工作频率。例如：目标电路当前选择某锁相环作为其时钟源头选择，其锁相环输入频率为24Mhz，其VCO倍频因子为64，后置除频系数为4，目标电路时钟分频设置为3，则目标当前电路工作频率为24X64÷4÷3＝128Mhz。在某个时刻点，目标电路时钟配置信息中的锁相环后置除频系数被软件修改为2，目标电路时钟分频设置改为2，则目标电路运行下一工作任务所需的目标工作频率为24X64÷2÷2＝384Mhz。
因此，目标频率获取模块31需要同时记录目标电路当前时钟配置信息和运行下一工作任务所需的时钟配置信息，分别计算目标电路当前工作频率和目标工作频率。
所述目标电压值，是指为使目标电路能在所述目标频率值上正常工作所需的电压值。所述电压值同目标电路的目标频率值相关，同目标电路的个体特性以及工作环境相关。
作为一种可实施方式，本发明实施例中，所述目标电压值根据目标频率值，通过当前条件下的工作频率和工作电压对应关系曲线进行换算得出。
当目标电路从一种工作状态切换到另一个工作状态(如从待机状态切换到工作状态时)，或是需要新打开或关闭某一种应用程序时(如打开或关闭视频播放时)，又或是在执行某些应用程序时在不同的运行阶段时(如网络下载时)会由于不同的性能需求需要目标电路从一个运行频率切换到另一个运行频率上，本发明实施例称之为起始频率和目标频率。又因为目便电路工作频率在从起始频率到目标频率的调节过程中，允许多个影响频率的因子，如时钟源选择，源频率，分频系数等发生变化，其不同的因子变化可能导致目标电路工作频率在短期内往偏离目标频率的方向变化。其不同的因子变化导致目标电路出现的异于起始频率及目标频率的工作频率称之为中间频率。
如图1所示，转换模块3根据起始频率、目标频率或中间频率，通过查找VF table表中的工作频率和工作电压对应曲线获得起始电压，中间电压和目标电压。
作为一种可实施方式，起始电压也可由用户输入或者通过状态寄存器获取。
如目标电路当前工作状态对应图3中的曲线2，在一应用程序启动时，其起始频率，中间频率和目标频率分别为24MHz，200MHz和500MHz，根据曲线2所示其最低起始电压，中间电压和目标电压分别为0.8v，0.8v和1.4v。根据这3个电压，可以得出整个调节过程中最大电压为1.4v，目标电压为1.4v。
下面详细描述本发明的联合调节模块4：
所述联合调节模块4根据目标电路的当前条件下频率值同目标频率值的相对关系，以及当前条件下电压值同目标电压值的对应关系，按预先设定的顺序，对目标电路的工作频率和工作电压进行联合平滑调节。
所述联合平滑调节：1)包含一次或多次或调节频率的过程，可以包含一次或多次调节电压的过程；
或
2)包含的一次或多次的调节频率和调节电压的过程，其调节顺序遵循着调度模块预先设定的顺序；
或
3)包含的一次或多次的调节频率和调节电压的过程，充分避免了调节本身对目标电路时钟系统和电源系统的冲击；
当目标频率获取模块31监测到目标电路工作频率信息变化，并计算出中间频率，目标频率和中间电压，目标电压后，则启动频率电压联合调节模块4进行工作频率和工作电压联合调节。
较佳地，作为一种可实施方式，如图1所示，所述联合调节模块包括频率调节模块42，电压调节模块43，以及调度模块41。
所述调度模块41，用于按预先设定的顺序调用频率调节模块42和电压调节模块43对工作频率以及工作电压进行联合平滑调节。
所述频率调节模块42，用于通过调节目标电路时钟来源选择、源头频率、分频系数、时钟开关等对目标电路工作频率进行调节。
较佳地，其通过平滑调节尽量降低其对时钟系统和电源系统的有害冲击。
频率调节模块42对目标电路频率调节，工作频率在从起始频率到目标频率的调节过程中，允许多个影响频率的因子，如时钟源选择，源频率，分频系数等，其因子可能导致频率在短期内往偏离目标频率的方向变化，即可能出现中间频率；频率的调节过程中不会出现超出目标电路在当前电压下所允许运行的最高频率的频率；频率的调节过程中不会出现使目标电路时钟上出现会导致目标电路无法工作的尖脉冲；频率的调节过程中，当前一频率(第一频率)和后一频率(第二频率)间出现比较大的变化，第二频率高于第一频率超过目标电路允许的频率变化最大值的时候，频率调节模块会启用频率调节平滑方法，将目标电路的工作时钟由第一频率平滑切换到第二频率之上，否则直接将目标电路的时钟频率切换到第二频率。
更佳地，所述频率调节模块42，如图5所示，包括频率切换电路421，分频电路422，clock频率平滑电路423以及对应的时序控制电路424。
其中，频率切换电路421为在目标电路工作时钟的多个源时钟之间进行切换的时钟切换电路，作为一种可实施方式，如图6所示，为一时钟切换电路，其遵循先关后开的原则，保证输出时钟上不会出现毛刺或窄脉冲等影响目标电路正常运行的异常信号。
分频电路422为对可动态配置分频系数的1-2N高速分频电路，其为频率切换过程起除频缓冲作用，同时也可用于频率平滑功能。
如图7所示，作为一种可实施方式，本发明实施例中，所述分频电路为一1/2/4/8可动态配置系数高速分频电路，其主要包括一二进制8分频电路，除频系数同步电路以及时钟输出选择电路。除频系数同步电路使用8分频时钟将外部除频系数变化同输出时钟同步，并使用同步后的除频系数选择时钟输出。因此除频系数经过内部时钟同步，因此次除频系数可动态改变而不会影响输出时钟的安全性。
clock频率平滑电路423为clock开关控制电路，可动态调节时钟开关(clockgating)通过率，其原理为通过控制时钟开关(clock gating)，使部分clock脉冲通过开关电路，部分clock脉冲被关断，最终使输出时钟脉冲数减少，达到输出频率降低的目的。如使用8分频时钟周期作为一个完整周期时，则可选择8个时钟脉冲中仅输出1个，2个直到8个时钟脉冲，则其输出频率相当于输入频率的1/8，2/8，3/8到8/8。相对于普通的整数分频电路，其在输出时钟频率调节方面可以达到更高的精度。时序控制电路输出频率选择位经过内部输入时钟同步，因此其选择位可动态改变而不会影响输出时钟的安全性。
时序控制电路424为协调频率切换电路421，分频电路422，clock频率平滑电路423之间的关系，控制各系数动态变化的先后关联性，以及各系数变化之间的延时等待控制等。
从起始频率切换到目标频率的过程中，出于安全性的考虑，本发明实施例中，可将频率切换分为几个动作完成。
例如设目标电路的某些时钟源头不支持动态频率调节，则在调节此时钟源头的频率时的时候需要将源频率切换到另一个稳定的频率点上，然后调节时钟源头，再等待原时钟源头稳定后再切回到原时钟源头上，这样可能出现频率调节时需要从其他中间频率点过渡的方式，且此中间频率点可能高于起始频率和目标频率。
又或者从起始频率切换到目标频率过程中，需要同时切换时钟源头及分频系数，为避免同时切换因生效时机误差引起的短时间内出现超出预期频率的高频时钟，也需要将切换过程分为几个动作完成，如先完成使时钟频率往较小方向变化的调节，后完成使时钟频率往较大方向变化的调节。
从起始频率切换到目标频率的过程中，为避免频率变化超出目标电路允许的最大值，引起目标电路的时钟系统和电源系统的破坏性波动，本发明实施例中，引入频率调节平滑方法。
如上文中例所示，设其24MHz clock源头和500Mhz clock源头均来自时钟源头clk0，200Mhz clock来自时钟源头clk1，clk0和clk1均不支持动态调节。
工作频率平滑调节方法启动的门槛为目标频率超过起始频率200MHz以上，每次平滑调节步长不得超过200MHz，则本实施例中工作频率和工作电压联合调节的步骤S3中的第一次频率调节不需要启动频率调节平滑方法，其具体调节方法如下：开启clk1并将其频率设置为200MHz(如果clk1已设置成功则省略此步)，等待clk1稳定，将clock源头切换到clk1。
在频率调节的第二次频率调节需要启动频率调节平滑方法，具体调节方式如下：设置clk0频率到500Mhz，等待clk0稳定，将clock源头切换到clk0并开启平滑调节电路，通过时钟开关将频率设置到某中间频率点(如375MHZ)，等待因工作频率跳变引起的外部电源系统波动平复，等待时间由电源系统特性决定；将时钟开关率设为100％，即设置到目标频率，等待一段时间后调节结束。
所述的电压调节模块43，用于对目标电路电源供给系统的电压按照特定的顺序进行调节。
作为一种可实施方式，电压调节模块43可以通过某种预先设置的通信协议，例如通用的输入输出接口信号或具有特殊协议的信号组等，直接对目标电路的电源供给系统的电压进行调节。
较佳地，电压调节模块对电源供给系统的电压的调节过程契合目标电路电源供给系统的要求，其对目标电路电压的调节不会引起目标电路电源系统的破坏性波动，不会影响目标电路的正常工作。
更佳地，作为一种可实施方式本发明的动态调节电压和频率的控制系统，其
目标电路的电压供应由电源管理模块(未示出)完成，其电源管理模块同频率电压调节系统之间通过通用的通信协议进行通讯(如I2C)。
更佳地，所述电压调节模块，包括通信接口，通信接口控制电路和电压调节过程控制电路。
工作电压调节电路可以通过通信接口利用通信协议对电源管理模块的供电电压进行调节。
通信接口控制电路用于将电压调节控制电路发送过来的控制信息转换成为通信接口标准协议信号，发送到电源管理模块，同时可以将外部电源管理芯片发送过来的状态信号进行解释并传送到电压调节控制电路。如将电压调节控制电路发送过来的电压调节命令转换为I2C协议信号，通过I2C总线传送至外部电源管理模块。或是通过I2C总线发送外部电源管理模块状态读取命令，将外部电源管理模块特定状态信息读取回电压调节控制电路。其具体的I2C协议信号产生与通信过程参照I2C协议规范。
通信接口控制电路可以使用通用的通信接口控制器，如I2C接口控制器。
电压调节过程控制电路，用于产生通信命令和状态序列，并在序列间进行延时等待控制。如对电源管理模块的一次电压调节过程中，可以包含电源管理模块对目标电路电压当前供给状态读取，设置新的目标电路供电电压，设置新的目标电路供电电压后状态读取等多个步骤。其间为避免电源调节对目标电路的冲击，在设置新的目标电路供电电压后需经过一定时间的延时等待。其单个命令的通信方式取决于I2C协议及电源管理模块对协议的解释。
电压调节过程控制电路产生的通信命令序列组成以及延时等待时间长短由电源管理模块的特性决定。
如本实施例中电源管理模块的电压设置可通过通信接口写电源管理模块设备号，写电压供给序列号，写目标电压值和读取电压状态等几个结构实现。
较佳地，所述动态调节电压和频率的电路控制系统，还包括联合控制模块5，用于对目标电路工作频率和工作电压调节进行联合控制。
联合控制模块5控制查询模块1、扫描模块2、转换模块3、联合调节模块4，并在频率以及电压的联合平滑调节结束时，输出调节结果通知用户。
联合控制模块5对目标电路的应用需求进行控制，其将查询模块1、扫描模块2、转换模块3、联合调节模块4串连，按应用需求控制各模块的启动时序，并将其运行状态和结果在各模块之间传递，完成对目标电路的工作频率和工作电压动态调节。
联合控制模块5输出调节结果通知用户，其通过中断或状态输出的方式，通知用户目标电路的工作频率和工作电压调节成功或失败的结果以及相应的状态，便于用户对目标电路的当前状态有更准确的了解，并针对目标电路可能出现的各种概率性异常引起的错误状况(如外界异常电脉冲引起的电压调节错误)进行处理和修复。
作为一种可实施方式，联合调节控制模块5为一中断和状态处理电路，其用于各模块的联合工作，并在调节过程中出现的正确和错误信息时进行记录并通过中断等方式通知用户，如调节正确结束时通知用户当前电压和当前频率；或当电源管理模块因特殊原因无法正确响应电压调节电路的调节命令时，通知用户错误模块和错误原因，记录起始电压和起始频率，目标电压和目标频率等信息。
下面进一步详细描述本发明实施例的动态调节电压和频率的控制系统的工作过程，即本发明提供的相应的一种电路电压和频率的动态调节控制方法，如图8所示，包括如下步骤：
步骤S100，对目标电路的当前条件下的工作表现进行状态扫描，并根据扫描结果或直接通过预设的结果从查询表中选择在当前条件下目标电路的电压频率对应关系曲线；
作为一种可实施方式，所述状态扫描过程如下：
利用速度检测电路在输入频率、输入电压以及自身延时路径等因素上的变化特性，通过逐级调节输入频率，或调节输入电压，或调节速度检测电路的延时路径，判断获得速度检测电路能正常工作或不能正常工作的结果。
本发明实施例所述的变化特性，是指速度检测电路基于其本身的特性，其在输入频率，或输入电压，或自身延时路径等因素发生变化时，其能正常工作或不能正常工作的结果的变化的具有一定的方向性，其结果的变化是可预测的。如：当输入电压在某一特定值时，速度检测电路能正常工作，当输入电压升高，其他条件不变时，因为速度检测电路会具有更高的运行速度，可以推断速度检测电路得出正常工作的结果。又如：当速度检测电路延时路径处于一定级数的时候能正常工作，当在其他条件不变时增加速度检测电路延时路径级数，导致速度检测电路所能运行的最高频率降低，可以推断速度检测电路有可能不能正常工作的结果。
作为一种可实施方式，速度检测电路能正常工作或不能正常工作的结果，可以为一个数值，或是一个范围。
根据此数值或范围可以换算出目标电路在设定条件下能正常工作或不能正常工作的结果。即可以推断出目标电路在设定条件下(如设定电压，设定温度)的所能工作的最高频率，或者是当前目标电路在设定条件下(如设定频率，设定温度)的所能工作的最低电压。
速度检测电路在状态扫描后换算得出的目标电路在设定条件下能正常工作或不能正常工作的结果，最终反应在VF table的曲线选择上，即根据速度检测电路状态扫描后换算的结果，扫描模块从查询表模块中选择相应的一条工作电压同工作频率对应关系曲线作为目标电路在设定条件下进行工作电压和工作频率联合调节的参考曲线。
作为一种可实施方式，速度检测电路通过设定电压和设定工作频率下调节自身延时路径长度，并判断其工作结果，检测目标电路在设定条件下能正常工作或不能正常工作，即目标电路工作表现。
较佳地，所述速度检测电路的延时判断过程，包括如下步骤：
步骤S110，利用一输入时钟信号产生一段占空比为50％的多周期脉冲信号，其脉冲信号经过两段不同的路径电路，即无延时路径电路和延时路径电路；
步骤S120，将原始脉冲信号经过无延时路径电路之后的信号和经过延时路径电路之后的脉冲信号之间的相位关系进行比较；
步骤S130，当初始延时路径电路的延时路径长度设为0时，所述两脉冲信号相位相同，当延时路径长度逐步增加，两者信号相位逐渐偏离，当延时路径长度增加到一定数值后，所述两脉冲信号相位偏移达到180度，即两信号高低电位相反，此时即可判断为速度检测电路已无法正常工作，此时获得的延时级数即可作为速度检测电路的工作性能表现数据。
步骤S200，在当前条件下，目标电路执行一工作任务时，获取执行该工作任务所需要的目标频率值，并根据此频率值和获取的电压频率对应关系曲线，换算出所需的目标电压值；
作为一种可实施方式，所述工作频率与工作电压转换，包括如下步骤：
通过工作频率与工作电压曲线选择位选择VF table中的某一条曲线作为当前工作条件下的工作频率和工作电压对应曲线，将曲线上各个工作电压值所对应的工作频率值查表取出，然后将输入频率值同各工作电压值所对应的工作频率值进行比较，获取目标电路即在当前工作条件下正常工作在输入频率上所需要的最低电压值。
步骤S300，根据目标电路的当前条件下频率值同目标频率值的相对关系，以及当前条件下电压值同目标电压值的对应关系，按预先设定的顺序，对目标电路的工作频率和工作电压进行联合平滑调节。
较佳地，作为一种可实施方式，所述调节频率和调节电压的过程，如图9所示，包括如下步骤：
步骤S310，将目标电路的当前频率所对应的当前电压，目标频率所对应的目标电压，或是调节频率过程中可能引入的中间频率所对应的中间电压，三者取最大值作为调节过程中的最大电压；
步骤S320，开始目标电路频率和电压联合调节时，首先判断当前电压是否低于最大电压值；
如果是则先进行一次电压调节，将目标电路电压调至最大电压值后进入步骤S330；
否则直接进入步骤S330；
步骤S330，将目标电路的工作频率调节到目标频率上；
步骤S340，判断目标电路的目标电压是否低于最大电压值，如果是则对目标电路进行一次电压调节，将目标电路的电压调至目标电压后进入步骤S350；否则直接进入步骤S350；
步骤S350，调节结束。
如上述例所示，则工作频率和工作电压联合调节分为3步进行，第一步将工作电压从0.8v调高到1.4v.第二步将工作频率从24MHz调节到200MHz。第三步将工作频率从200MHz调节到500Mhz。
较佳地，所述步骤调节方法，为逐步减小除频方法或者gating方法。
较佳地，作为另一种可实施方式，所述频率调节平滑的方法，包括如下具体步骤：
1)根据第一频率和第二频率之间的差值大小，划分出若干个由低到高的且位于第一频率和第二频率之间的中间频率点；
2)在频率切换时，逐级提升目标电路工作时钟频率，使其经过各中间频率点并最终调节至第二频率。
本发明实施例的频率平滑调节的方法，使目标电路工作频率在每次变化时，不超过其允许的频率变化最大值，避免了目标电路时钟在工作频率上剧烈变化，及其带来的功耗的剧烈变化，导致对目标电路时钟系统和电源系统的破坏性冲击。
触发频率平滑调节的方法的第一频率和第二频率的频率变化最大值和中间频率点的选取由目标电路工作环境决定，尤其是电源供给系统。
触发频率平滑调节的方法的第一频率和第二频率的差值大小和第一频率，第二频率与各相邻中间频率点之间的差值大小设置不超过目标电路允许的预先设定的频率变化最大值，目标电路工作频率变化引起的功耗变化不得导致电源供给系统出现破坏性波动。所述预先设定的频率变化最大值可以为固定值，也可以由软件根据应用需求动态改变。
本发明实施例的动态调节电压和频率的电路控制系统和方法，其硬件自动化程度高，不会增加应用软件的复杂性；其工作频率和工作电压的调节方式充分考虑到对目标电路电源系统的冲击，确保其安全性；并且可以依据每份目标电路的特性以及不同应用下的性能和功耗特性，实现最优化的节能方案。
最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (13)

1.一种动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，包括查询表模块，转换模块，联合调节模块；其中：
所述查询表模块，用于存储目标电路的在一种或多种工作条件下的电压和频率对应关系曲线组合表；
所述转换模块，用于根据查询表模块对目标电路工作频率同工作电压进行转换；
所述联合调节模块，用于对目标电路工作频率和工作电压进行联合调节。
2.根据权利要求1所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，还包括扫描模块，用于对目标电路的当前条件下的工作表现进行扫描；
所述扫描模块能对目标电路的当前条件下的工作表现进行状态扫描，并根据状态扫描结果从查询表模块中选择在当前条件下目标电路的电压频率对应关系曲线。
3.根据权利要求1或2所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，还包括联合控制模块，用于对目标电路工作频率和工作电压调节进行联合控制；
联合控制模块控制查询模块、扫描模块、转换模块、联合调节模块，并在频率以及电压的联合平滑调节结束时，输出调节结果通知用户。
4.根据权利要求3任一项所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，所述扫描模块包括一速度检测电路，对设定条件下的目标电路的工作性能表现进行状态扫描；即所述速度检测电路，用于对目标电路在当前条件下的所能工作的最高频率、或者是目标电路在当前条件下的所能工作的最低电压进行测量。
5.根据权利要求4所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，所述速度检测电路包括激励生成模块，延时路径模块及结果比较模块；
激励生成模块，用于利用一输入时钟信号产生一个或多个的多周期脉冲信号，其脉冲信号经过两段不同的路径电路，即无延时路径电路和延时路径模块的延时路径电路后分别到达结果比较模块；
延时路径模块，包括延时路径电路，用于对脉冲信号进行延时，或对输入信号进行运算；
结果比较模块，用于将原始脉冲信号经过无延时路径电路之后的信号和经过延时路径电路之后的脉冲信号之间的相位关系进行比较。
6.根据权利要求4所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，所述速度检测电路为一份或者多份，分别针对影响目标电路运行的多处关键电路进行监控。
7.根据权利要求4所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，所述联合调节模块包括调度模块，频率调节模块，以及电压调节模块；
所述调度模块，用于按预先设定的顺序调用频率调节模块和电压调节模块对工作频率以及工作电压进行联合平滑调节；
所述频率调节模块，用于通过调节目标电路时钟来源选择、源头频率、分频系数、时钟开关等对目标电路工作频率进行平滑调节；
所述的电压调节模块，用于对目标电路电源供给系统的电压按照设定的顺序进行调节。
8.根据权利要求7所述的动态调节电压和频率的电路控制系统，其特征在于，还包括电源管理模块，用于供应目标电路中的电压。
9.一种电路电压和频率的动态调节控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，对目标电路的当前条件下的工作表现进行状态扫描，并根据扫描结果或直接通过预设的结果从查询表中选择在当前条件下目标电路的电压频率对应关系曲线；
步骤B，在当前条件下，目标电路执行一工作任务时，获取执行该工作任务所需要的目标频率值，并根据此频率值和获取的电压频率对应关系曲线，换算出所需的目标电压值；
步骤C，根据目标电路的当前条件下频率值同目标频率值的相对关系，以及当前条件下电压值同目标电压值的对应关系，按预先设定的顺序，对目标电路的工作频率和工作电压进行联合平滑调节。
10.根据权利要求9所述的电路电压和频率的动态调节控制方法，其特征在于，所述步骤A中，所述状态扫描，包括如下步骤：
利用速度检测电路在输入频率、输入电压以及自身延时路径等因素上的变化特性，通过逐级调节输入频率，或调节输入电压，或调节速度检测电路的延时路径，判断获得速度检测电路能正常工作或不能正常工作的结果。
11.根据权利要求9所述的电路电压和频率的动态调节控制方法，其特征在于，所述步骤B中，所述工作频率与工作电压转换，包括如下步骤：
通过工作频率与工作电压曲线选择位选择查询表中的一条曲线作为当前工作条件下的工作频率和工作电压对应曲线，将曲线上各个工作电压值所对应的工作频率值查表取出，然后将输入频率值同各工作电压值所对应的工作频率值进行比较，获取目标电路在当前工作条件下正常工作在输入频率上所需要的最低电压值。
12.根据权利要求9所述的电路电压和频率的动态调节控制方法，其特征在于，在步骤C中，所述调节频率和调节电压，包括如下步骤：
步骤C1，将目标电路的当前频率所对应的当前电压，目标频率所对应的目标电压，或是调节频率过程中可能引入的中间频率所对应的中间电压，三者取最大值作为调节过程中的最大电压；
步骤C2，开始目标电路频率和电压联合调节时，首先判断当前电压是否低于最大电压值；
如果是则先进行一次电压调节，将目标电路电压调至最大电压值后进入步骤C3；
否则直接进入步骤C3；
步骤C3，将目标电路的工作频率调节到目标频率上；
步骤C4，判断目标电路的目标电压是否低于最大电压值，如果是则对目标电路进行一次电压调节，将目标电路的电压调至目标电压后进入步骤C5；否则直接进入步骤C5；
步骤C5，调节结束。
13.根据权利要求12所述的电路电压和频率的动态调节控制方法，其特征在于，在步骤C中，所述频率调节平滑的方法，包括如下步骤：
步骤C1’，根据第一频率和第二频率之间的差值大小，划分出若干个由低到高的且位于第一频率和第二频率之间的中间频率点；
步骤C2’，在频率切换时，逐级提升目标电路工作时钟频率，使其经过各中间频率点并最终调节至第二频率。
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