CN102959488A - 用于控制电源电压的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于控制计算系统中电源电压的方法和计算系统。存储用于设置计算系统的电源电压中的电压相关的指示，并且基于所存储的电压相关的指示为计算系统设置电源电压。检测计算系统的崩溃，并基于此确定用于计算系统中的调整后的指示。基于调整后的指示设置调整后的电源电压，并且存储调整后的指示用于计算系统的进一步使用。

Description

用于控制电源电压的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制电源电压的方法和系统。

背景技术

本发明属于主动电源管理领域(AMP)，其意味着在主动模式下处理器时钟频率和核电源电压(Vdd)的短期控制以最小化功耗。主动电源管理通常是由快速电源管理组件控制，其中时钟频率和电压每隔几百微秒需要修正。基于短期的应用需要做出决定。

为了正确地运转，要求许多计算系统运行在特定的速度。例如，为了实时处理呼叫数据以允许终端的操作者参加与另一个人的实时通信而且不掉线，无线通信网络的移动终端中的处理器要求操作在特定的速度。这仅是要求操作在特定的速度的计算系统的一个示例。为操作在特定的速度，用于计算系统中的时钟信号的频率要求为至少一个特定的阈值。

为了使计算系统操作在高时钟频率，要求对应的高电源电压。然而，当用于计算系统中的电源电压增大时，计算系统使用的功率也增大，这是不利的。这就期望保持低电源电压，但也不能太低以致使得计算系统不能操作在所需的时钟频率。

自动跟踪软件可以用来选择所需的电源电压用于计算系统中。例如AVS(自动电压控制)函数可以用来选择电源电压。

在试图适应计算系统上运行的软件时设置电源电压。具体地，由于表示为所执行软件的操作的结果的电源电流可比电源电压调节器电路能够反应的变化更快，因此当执行软件时，电源电压将发生波动。电源电压中的这种改变被称为电源“跳动”、“下降”、“瞬态响应”或简单“噪音”。电压调节器电路和其至计算系统的连接将包含电感和电容组件，因此，将会带来谐振频率，如果在激起这些谐振的频率上软件碰巧造成负载瞬变，那么该谐振频率可增大电压“跳动”的影响。如果电源电压变得太低，那么计算系统的关键时序路径中的逻辑能够失败并且一些电路能够在任何速度下均不工作。例如，WRITE操作，尤其是至6晶体管静态随机存取存储器(存储器)单元，在低电源电压条件下可能很容易故障。

为了避免计算系统中关键路径的故障，实施电压裕度，使得在正常操作条件下电源电压设置为比在当前时钟频率下关键路径所需的最低电压略高(高电压裕度的数量)。该电压裕度允许由于操作软件而使电压略下降而不下降至防止关键路径故障所需的最小值以下。典型地选择电压裕度以覆盖制造和软件变化性(即软件的因素)。选择电压裕度为对于在特定的速度的计算系统的关键路径中的任何部件均被认为是“安全”的水平。

附加的电压裕度增大计算系统在操作时的功耗。

发明内容

发明人已经意识到计算系统中大部分部件不要求如计算系统中目前所提供的大的电压裕度。因此，这些部件操作能在较低的电压裕度下操作，从而减少计算系统的功耗。另一方面一些部件要求比当前提供的电压裕度更大的裕度例如，当部件老化时，它们可能开始要求更大的电压裕度。本文提供一种方法和系统，用于调整用于计算系统中的电压裕度以适应具体的计算系统。通过这种方法，电压裕度可以优化用于特定的计算系统，从而减少功耗和/或减少计算系统的关键路径中的故障。

根据本发明的第一方面，提供了一种控制计算系统中电源电压的方法，该方法包括：存储电压依赖性参数，用于设置计算系统的电源电压；基于所存储的参数设置用于计算系统的电源电压；检测计算系统的崩溃并且基于此确定用于计算系统中的调整后的电压依赖性参数值；基于调整后的参数设置调整后的电源电压；并且存储调整后的参数用于计算系统的进一步使用。

电压依赖性参数(电压相关的指示)可以是用于计算系统中的电压裕度，或将影响电源电压裕度的任意其他可测量的和可控的参数。例如，如果已经通过使用位于计算系统中的电源电压依赖性振荡器的希望频率和所观察频率之间的差作为反馈对电源电压进行控制，那么裕度设置可表示为与所述振荡器的希望频率的偏移。在这种情况下将裕度表示并存储为频率值，但仍可能影响电源电压裕度。

根据本发明的第二个方面提供一种计算系统，该计算系统包括：存储装置，用于存储指示，用于设置计算系统的电源电压；

设置装置，用于基于所存储的指示设置用于计算系统的电源电压；

确定装置，用于检测计算系统的崩溃，并基于此确定用于计算系统中的调整后的指示；

其中计算系统配置为基于调整后的指示设置调整后的电源电压，并存储调整后的指示用于计算系统的进一步使用。

在优选实施例中，电压裕度设置为低于一些所制造的部件的“安全”水平的水平。这样，计算系统的功耗减少。然而，由于当电源电压下降太低时计算系统的关键路径故障，电压裕度的减少可能导致一些所制造的计算系统崩溃。计算系统允许偶尔崩溃。需要一些时间用于“监视时钟”暂停和计算系统崩溃后重新启动。当计算系统在崩溃后重新启动，电压裕度增大。这样，因为低的电源电压使计算系统再次崩溃可能性较小。然而，如果计算系统的部件在低的电压裕度下工作而没有崩溃，那么计算系统中使用低的电压裕度，从而减少功耗。

通过响应于检测到计算系统的崩溃来调整电压裕度，电压裕度可以调剂变为用于计算系统的最优电压裕度，即不会导致计算系统中故障的最低的电压裕度。

然而，由于缺乏电压裕度的电路故障可能并不是崩溃的惟一原因。例如，软件的错误可偶尔引起系统崩溃。当这发生时，电压裕度不必要地增大。

为了消除这种情况，如果计算系统一段时间没有崩溃，如24小时，这可能是当前使用的电压裕度太高并且计算系统实际上可操作在相对低的电压裕度上的迹象。在这种情况中，可减小电压裕度。这将减少计算系统的功耗。如果减少裕度导致崩溃，那么容易再增大裕度。这种裕度减少的频率是保持相对低，以免由于太多的崩溃和重新启动操作造成对用户的明显的扰乱。

在用于当崩溃发生时增加电压裕度的方法和用于当没发生崩溃时减小电压裕度的方法两者都被实施的情况下，电压裕度可有利地调整为对计算系统的当前情形为最优的。

与如现有技术中使用固定的电压裕度不同，发明人以及意识到根据计算系统中崩溃的发生调整电压裕度是有利的。这样，可优化电压裕度。

附图说明

为了更好地理解本发明和示出如何实施本发明，现在将通过示例参考以下附图，其中：

图1是根据优选实施例的计算系统的示意表达；以及

图2是根据优选实施例的控制电源电压的过程的流程图。

具体实施方式

现在将参考图1和2通过示例的方式描述优选实施例。仅通过示例的方式来描述该优选实例并且优选实施例的具体特征不意在限制保护范围，由权利要求定义保护范围。

图1为根据优选实施例的计算系统100的示意图。计算系统100包括处理器(CPU)102、主动电源管理(APM)应用104、存储器106、计时器108和诊断寄存器110。如图1所示，CPU 102耦合至APM应用104、存储器106、计时器108和诊断寄存器110中的每个。

APM应用104配置为控制计算系统中使用的电源电压和时钟频率。计算系统包括可调电压源(图1中没示出)，其可由APM应用104控制从而调整提供至CPU 102的电源电压。这样，APM应用104可以确保充足的时钟频率用于运行在CPU 102上的特定的软件，同时控制电源电压使得提供充足的电源电压以允许CPU 102在所选的时钟频率操作。如上所描述，APM应用104采用电压裕度以保持电源电压比要求的最低电压略微高(高电压裕度的数量)。这减少电源电压降低到用于CPU 102的关键路径中的处理的要求的最低电压情况以下的发生，并从而减少了计算系统100崩溃的频率。

现参考图2描述控制电源电压的方法。在步骤S202中，确定用于计算系统100中每个部件的合适的电压裕度并且将“安全”电压裕度的指示存储在存储器106中。存储器106是非易失性存储器，使得当计算系统100关闭时将电压裕度维持在存储器106中。在可选实施例中，存储器106是易失性存储器，如随机存取存储器(RAM)，其通过CPU 102加载电压指示，例如当计算系统100重新启动时。

当计算系统100重新启动时，在计算系统初始化的同时选择高的电源电压(即，比具有“安全”电压裕度的电压水平高)。一旦系统已经初始化，电源电压设置为具有电压裕度，该电压裕度通过存储在存储器106中的电压指示来指示。在步骤S204基于存储器106中存储的电压裕度设置电源电压。APM应用104相应地设置电源电压。最初，电源电压裕度设置为低于关键路径中部件的“安全”水平。这减小了当计算系统100运行时其功耗。然而，如果电源电压对于CPU 102在所选时钟频率正确操作过低，崩溃可能发生。

在步骤S206中检测计算系统100的崩溃。崩溃可能由于电源电压过低。崩溃可能反而是由于其他原因，如软件故障。计时器108例如为监视时钟，其实现以规律速率增加的计数器。在计算系统100正常操作期间，在CPU 102上运行的软件以规律间隔重新设置监视时钟108以防止计数器达到阈值水平。然而，如果发生崩溃，计数器继续增大并达到阈值水平(因为不被软件重新设置)。当计数器达到阈值水平，其使计算系统100重新启动。这确保计算系统100能快速地从崩溃恢复(典型地在发生崩溃后几秒(如2秒)内)。当系统重新启动时，监视时钟108的值可用于确定由于计算系统100的崩溃发生了重新启动。如果监视时钟108具有阈值，那么这表明崩溃造成重新启动，然而如果重新启动是正常的重新启动(如，当用户开启计算系统100)，监视时钟108典型地将具有低于阈值水平的计数。这样，检测到崩溃。

在步骤S208中当检测到崩溃时，可确定用于计算系统100中的调整后的电压裕度。选择调整后的电压裕度以减少再次发生崩溃的概率。在步骤S210设置调整后的电压裕度用于计算系统100。APM应用104用于基于调整后的电压裕度调整电源电压。例如，每次崩溃发生可增加电压裕度。

在步骤S212中，将调整后的电压裕度的调整后电压指示存储在存储器106中用于计算系统100的将来使用。通过存储调整后电压指示在存储器106中，当计算系统100随后重新启动，将使用新的、调整后的电压裕度。这样，按照计算系统的要求，计算系统100中电压裕度随时间进行调整。允许计算系统以这样的方式调剂电源电压允许计算系统发现不会导致崩溃(或者导致可接受的少量的崩溃)但是可低于计算系统中组件的“安全”电压裕度的电压裕度。这样减少计算系统的功耗。

发明人已经进一步意识到不是计算系统中所有的崩溃均因为不充足的电压裕度。如对技术人员明显的，很多其他因素可能造成崩溃。例如，可由软件故障造成崩溃，与当前采用的电压裕度无关。在步骤S208中，当检测到崩溃，不是直接增加电压裕度，而是可以增加计数器。如果计数器达到阈值水平(如2秒)那么电压裕度增加。这样，在崩溃的检测后电压裕度不会太容易增加。此外，可以规律间隔(如每小时)重新设置计数器，使得如果系统崩溃并且该崩溃由于异常事件(例如，软件故障)造成，那么不必增加电压裕度。如果电压裕度对于计算系统100正确操作过低，在计数器重新设置之间的间隔中可能发生一个以上崩溃(如，在一小时中发生两个以上的崩溃)。在这种情况下，增加电压裕度。该特征基于这样的概念：在计数器重新设置之间的间隔中系统崩溃的意料之外的原因不可能发生多于一次，使得这些崩溃对电压裕度的影响不会像如果每次崩溃后电压裕度均增加那么大。

此外，计算系统100可实施为，使得如果在第二个间隔(例如，24小时)内没有检测到崩溃则减小电压裕度。这样，如果通过上述的方法电压裕度增大的过多，电压裕度能够被减少以发现电压裕度的最优水平。这样，计算系统100可以增大或减少电压裕度来适合计算系统100的要求。这允许将电源裕度优化到这样的水平：很少的崩溃是由于电源电压上不充足的电压裕度而发生，而功耗不高于达到此目的所必须的功耗。

计算系统100可以配置为使得电压裕度不会增大到高于计算系统100中部件的“安全”水平。为达到该目的，“安全”水平被用作电压裕度的阈值水平，其中如果电压裕度达到该阈值水平，不再对电压裕度进行进一步调整。这样功耗不会变得大于现有技术系统的功耗。

上面所述的方法当计算系统中的部件老化并且它们对低电压裕度的容忍降低时也能够是有用的。如果计算系统100中的部件要求高于“安全”电压裕度的电压裕度，上面所描述的方法将会将电压裕度增大到对于用于该部件可接受的水平。因此，电压裕度是可调整的以满足计算系统的要求。此外，对于计算系统100的当前情形电压裕度是最优的，当计算系统100使用时其可改变。

在为了设置时钟频率和电源电压，APM应用104实现锁相环路(PLL)或锁频环(PLL)的情况下，能够使用上述方法和系统。

如果APM应用104使用PPL，典型地，使用环形振荡器来设置电源电压，由此使用查找表来确定针对给定的时钟频率的环形振荡器应该操作于的频率。然后设置电源电压以获得环形振荡器的那个特定频率。为了生成具有比要求的电压略高的电压(即，具有电压裕度)的电源电压，查找表典型地存储比要求的频率略高的频率。这样，可将要求的电压裕度的电压指示以用于环形振荡器的频率值的形式存储在存储器106中。可替代地，电压指示可存储为绝对电压值或电压裕度本身。应该理解，假设为了设置电源电压具有期望的电压裕度计算系统能解释指示，则可使用任意电压指示。

诊断寄存器110能够用于确定测试到的崩溃的原因。如果确定崩溃是由于电源电压过低，那么如上述在这样的崩溃之后电压裕度能够增大。然而，如果诊断寄存器110确定测试到崩溃是由于其他的原因，那么在崩溃之后电压裕度可不增大。这样，防止在不是因为不充足的电压裕度的崩溃之后电压裕度不必要地增大。

虽然参考优选实施例已经具体示出和描述本发明，本领域技术人员将理解，可进行形式和细节内容的各种改变而不脱离所附权利要求定义的本发明的范围。

Claims (15)

1.一种控制计算系统中电源电压的方法，所述方法包括：

存储电压相关的指示，用于设置所述计算系统的所述电源电压；

基于所存储的电压相关的指示设置用于所述计算系统的电源电压；

检测所述计算系统的崩溃，并基于此确定用于所述计算系统中的调整后的指示；

基于所述调整后的指示设置调整后的电源电压；以及

存储所述调整后的指示用于所述计算系统的进一步使用。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述电压相关的指示选自于电压裕度和振荡器中的频率偏移。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中当检测到崩溃时，所述指示增加。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中当测试到崩溃时，计数器增加。

5.如权利要求4所述的方法，其中当所述计数器达到预定的数时，所述指示增加。

6.如权利要求4或5所述的方法，其中所述计数器以规律时间间隔复位。

7.如权利要求2至6任一项所述的方法，其中如果在预定的时间周期内没有检测到所述计算系统中的崩溃，那么所述指示减小。

8.如权利要求2至7任一项所述的方法，其中当所述指示达到阈值时，不对所述指示进行进一步调整。

9.如以上任一项权利要求所述的方法，进一步包括确定所检测到的崩溃的原因，其中所述调整后的指示基于所述崩溃的原因确定。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述崩溃的原因使用所述计算系统中的诊断寄存器确定。

11.如以上任一项权利要求所述的方法，进一步包括选择用于所述计算系统中的时钟频率。

12.一种计算系统，包括：

存储装置，用于存储指示，用于设置所述计算系统的电源电压；

设置装置，用于基于所存储的指示设置用于所述计算系统的电源电压；

确定装置，用于检测所述计算系统的崩溃，并基于此确定用于所述计算系统中的调整后的指示；

其中，所述计算系统配置为基于所述调整后的指示设置调整后的电源电压，并且存储所述调整后的指示用于所述计算系统的进一步使用。

13.如权利要求12所述的计算系统，进一步包括：

用于确定所检测到的崩溃的原因的诊断寄存器，其中所述确定装置配置为基于所述崩溃的原因确定调整后的电压指示。

14.如权利要求12或13所述的计算系统，包括当检测到崩溃时可操作为增加的计数器。

15.如权利要求12或13所述计算系统，包括用于对所述指示和阈值进行比较的装置，以防止当所述指示达到所述阈值时进一步的调整。

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