CN103827773A - 建立低功耗计算机系统的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

建立低功耗计算机系统的方法和系统。涉及高效计算机服务器系统，包括高效电力供应单元，采用多条电源轨向系统组件组提供电力；专用处理器，配置为作为高效通用服务器处理器运行同时保持高性能；以及平台管理器，配置为控制向系统组件组提供的电力以使系统的整体功耗最小化。还涉及在信息处理服务器系统中降低功耗的方法，包括把专用处理器配置为用作通用服务器处理器，根据性能和功率效率选择一组功率高效的系统组件，采用高效的电力供应单元和平台管理器控制由电力供应单元提供的电力，以及调整处理器的频率实现最优的性能/功耗比值。

Description

建立低功耗计算机系统的方法和系统
相关申请的交叉引用
本国际专利申请要求2011年7月25日提交的标题为“Methodand System for Building a Low Power Computer System”的美国临时专利申请序列号61/511,376的利益和优先权，其全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本公开的至少某些实施例涉及在采用信息处理组件（如微处理器或微控制器）的设备比如计算机系统中降低功耗。本公开的某些实施例也涉及尺寸减小，以及/或者由采用信息处理组件的设备发热量的减小或消散。
背景技术
计算机系统是设计为顺序地执行若干组逻辑或算数运算的可编程机器。某些计算机系统比如个人计算机或智能手机可以设计为灵活地满足最终用户的需要。其他计算机系统可以设计为执行几项特定任务，比如在操作红绿灯、数字手表或玩具中采用的计算机。
以信息时代的到来为特征的现代世界是计算机系统的采用日益增加以及对计算机系统中改进的期望和需要日益增长的世界。不过，现今的世界也是有关自然资源的稀缺和人类对环境的不利影响的问题越来越被意识到的世界。计算机系统的演化精确地符合这个悖论：计算机系统的使用增加，以及这样的系统的性能改进转换为功耗增加以及对环境的不利影响。
对于与执行现今的日益复杂和苛刻的计算机应用程序相关联的不断增长的数字数据量，为了有助于满足处理它们所需的处理能力而不牺牲性能，发明了改进的计算机系统处理器。例如，研发了各种各样多用途、可编程、时钟驱动的集成电路，比如8、16、32、64位微处理器（如英特尔8008、8086、80286、安腾等）。伴随着微处理器的改进，字长能力是微处理器时钟频率限制的显著进步。
计算机系统处理能力的上述改进，以及一般来说其他这样的改进，导致系统的功耗升高。单一处理器的性能能够提升多少也是有限度的。例如，提高微处理器的时钟频率不仅导致采用它的计算机系统更高的功耗，而且引起发热量增加，这又可能干扰处理器的正常工作条件。
对于建立能够满足并超过现代世界的严格的性能需求的计算机系统，同时实现无与伦比的功耗效率并减少使用计算机系统对环境的不利后果，本文所公开的系统和方法的优选实施例用于填补这种需要，例如，方式为减小计算机系统的发热量或尺寸。
发明内容
根据后文介绍的各种实施例，若干系统和方法是建立或设计低功耗计算机系统。一个实施例是低功耗的通用计算机服务器系统，包括用于各种系统组件互连的主板。系统组件包括具有多条电源轨用于向系统组件提供电力的电力供应单元、一个或多个外围板、主处理器以及平台管理器。主处理器包括多个主处理器内核、存储器控制器、若干卸载引擎、以太网接口以及外围组件互连块，通过连接结构可操作地互连。主处理器进一步包括连接结构与其他系统组件比如平台管理器之间连接的局部总线。平台管理器被配置为控制由电力供应单元向电源轨提供的电力。在一个实施例中，主处理器被配置为若干预定的处理器任务卸载到多个卸载引擎，并在最大负载下运行时，即全部处理器内核处于最大负载，以及对诸如磁盘访问、以太网和PCIe的接口最大IO操作时，具有近似530的最小的CoreMark评分对瓦特消耗比值。在某实施例中，被配置为在近似1.5GHz频率和满载下运行的主处理器具有近似45140的CoreMark评分和85瓦特功耗，从而具有近似30的CoreMark评分/频率(MHz)比值，以及近似531的CoreMark评分对瓦特消耗比值。在这个实施例中，低功耗通用计算机服务器系统在最大负荷下运行时，消耗近似130瓦特的最大功率。
根据某些展示性实施例，主处理器是通信处理器片上系统，被配置为作为通用计算机服务器处理器运行，而平台管理器基于现场可编程门阵列(FPGA)，平台管理器包括平台管理器处理器、平台管理器内核以及平台管理器处理器与平台管理器内核之间连接的平台管理器总线。在其他实施例中，平台管理器基于专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)或基板管理控制器(BMC)集成电路。在某实施例中，平台管理器处理器是ARM处理器，而平台管理器由平台管理器软件配置为控制由电力供应单元向电源轨提供的电力。某些实施例进一步包括多个系统风扇，其中平台管理器被配置为控制系统风扇把系统的温度保持在预定的范围内。在一个实施例中，平台管理器被配置为控制系统风扇，在近似25.5摄氏度的环境温度下，保持近似67摄氏度的空闲主处理器运行最高温度。在一个实施例中，平台管理器被配置为控制系统风扇，在近似25.5摄氏度的环境温度下，保持近似77摄氏度的满载主处理器运行最高温度，同时保持系统的整体功耗低于130瓦特。
在某些实施例中，电力供应单元有近似90%的最低功率效率，并且平台管理器被配置为控制向至少20条电源轨提供的电力，使得通用计算机服务器系统在最大负荷下运行时最大功耗近似130瓦特。在某些实施例中，平台管理器进一步包括连接到平台管理器处理器的存储器模块以存储和执行平台管理器软件、连接到平台管理器处理器的专用寄存器组以及在平台管理器处理器与主处理器之间连接的共享寄存器组。在一个实施例中，共享寄存器组包括修订寄存器和复位请求寄存器，而专用寄存器组包括控制寄存器和状态寄存器。
在一个实施例中，非易失性存储器组件可操作地连接在主处理器与平台管理器之间，非易失性存储器组件用于存储启动软件、电路板组件和软件配置变量（如初始设定、MAC地址和电路板ID）以及/或者由系统组件利用的其他软件或固件映像。在某些实施例中，非易失性存储器组件也用于存储操作系统软件，而在其他实施例中，操作系统软件存储在系统的主存储器模块和/或非易失性存储器组件上。在一个实施例中，操作系统软件包括第一诊断软件和第一系统管理软件，而启动级软件包括BIOS菜单、第二诊断软件和第二系统管理软件。
根据其他展示性实施例，通用服务器计算机系统包括在1.5GHz频率和最大负载下运行时具有近似530的最小CoreMark评分对瓦特消耗比值的变用途通信处理器，具有至少90%的功率效率的电力供应单元，电力供应单元包括多条电源轨，以及被配置为控制向电源轨提供的电力的平台管理器，其中计算机系统在最大负载下运行时，即全部处理器内核处于最大负载，以及对诸如磁盘访问、以太网和PCIe的接口最大IO操作时，消耗低于近似130瓦特。在一个实施例中，平台管理器基于现场可编程门阵列(FPGA)，并包括平台管理器处理器、多个平台管理器内核以及在平台管理器处理器与平台管理器内核之间连接的平台管理器总线。一个实施例进一步包括在变用途通信处理器与平台管理器之间可操作地连接的非易失性存储器组件，用于存储具有第一诊断软件和第一系统管理软件的操作系统，以及具有BIOS菜单、第二诊断软件和第二系统管理软件的启动软件。
根据又另外的展示性实施例，建立低功耗计算机系统的方法包括把专用处理器比如通信处理器变用途为用作通用服务器处理器，专用处理器具有多个处理器内核、端口和卸载引擎，根据性能和功率效率选择系统组件组，去除处理器未使用的端口，采用具有近似90%的最低功率效率的电力供应单元，采用平台管理器控制由电力供应单元通过多条电源轨向系统组件组提供的电力，以及调整处理器的频率以实现最大性能每功率消耗比值。一个实施例包括调整处理器的频率以实现近似530的最小CoreMark评分每瓦特消耗比值。
根据再另外的展示性实施例，通用计算机在满载下运行时，即全部处理器内核处于最大负载，以及对诸如磁盘访问、以太网和PCIe的接口最大IO操作时，消耗低于130瓦特电力。在另一个实施例中，计算机系统可以是工业标准服务器计算机，并且可以包括处理器（可以是具有至少八(8)个内核的变用途处理器）、高效的电力供应单元以及平台管理器，处理器在1.5GHz频率和满载下运行时，消耗低于近似85瓦特的电力。在某实施例中，处理器可以具有近似500的最小CoreMark评分对瓦特消耗比值。CoreMark评分是专门针对处理器内核的通用基准测试，由嵌入式微处理器基准协会(EEMBC)开发。
根据另一个展示性实施例，计算机系统是工业标准LAMP(Linux,Apache,MySQL,PHP)服务器，在满载下运行时，即全部处理器内核处于最大负载，以及对诸如磁盘访问、以太网和PCIe的接口最大IO操作时，消耗低于130瓦特电力。服务器可以包括变用途处理器，它可以为通信处理器。服务器可以进一步包括具有90%或以上功率效率的电力供应。服务器也可以包括平台管理器，它可以基于现场可编程门阵列集成电路(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)或基板管理控制器(BMC)集成电路，并可以用于启用(ON)或禁用(OFF)若干系统组件比如风扇。
根据又一个展示性实施例，计算机系统是工业标准LAMP(Linux,Apache,MySQL,PHP)服务器，基于变用途通信处理器，在全部内核处于最大负载时1.5GHz频率运行以及对诸如磁盘访问、以太网和PCIe的接口最大IO操作时，消耗低于130瓦特电力。通信处理器可以包括一个或多个卸载引擎。服务器可以进一步包括具有90%或以上功率效率的电力供应以及可以用于启用(ON)或禁用(OFF)若干系统组件比如风扇的平台管理器。
根据另一个展示性实施例，计算机系统是工业标准LAMP(Linux,Apache,MySQL,PHP)服务器，基于变用途通信处理器，它可以包括一个或多个卸载引擎，服务器进一步包括高效的电力供应单元和平台管理器。电力供应可以为90%或以上效率，而平台管理器可以是基于FPGA的电路，用于启用(ON)或禁用(OFF)若干系统组件比如风扇，并且对系统的一条或多条电源轨提供不同级的电力。
根据另一个展示性实施例，计算机系统是通用服务器计算机，包括至少十(10)条或更多电源轨，每条都由计算机的平台管理器供电到预定的电平。平台管理器可以是基于FPGA的集成电路，采用专用处理器，它可以是ARM处理器。
根据又一个展示性实施例，计算机系统是通用服务器计算机，包括一个或多个风扇以及控制风扇的平台管理器。服务器计算机可以进一步包括变用途通信处理器和电力供应单元。在一个实施例中，服务器计算机可以包括8核通信处理器，在环境温度25.5℃下运行时，可以运行在近似67℃的空闲温度，或近似77℃的满载温度，即全部内核都在最大负载，并且诸如磁盘访问、以太网和PCIe的接口在最大IO操作时。在某些实施例中，服务器计算机包括小的形状因素，使两个或更多服务器能够放置在标准1U服务器机柜中。例如，一个实施例包括的形状因素具有8.5×14×1.75英寸（宽×长×高）的维度，使两个服务器能并排地放置在19英寸宽的1U服务器机柜中，它又具有17.5英寸的内部宽度，系统托盘和滑块占了两个服务器与机柜宽度之间的0.5英寸差异。
根据若干展示性实施例，建立低功耗通用计算机系统的方法是包括以下步骤的方法：使专用处理器变用途为作为通用处理器运行、为系统选择功率效率最高的组件以及采用平台管理器。在一个实施例中，低功耗通用计算机系统可以是通用服务器计算机，比如工业标准LAMP服务器。在另一个实施例中，专用处理器可以是通信处理器，可以变用途为作为通用服务器处理器运行。又一个实施例可以进一步包括采用一个或多个处理器的卸载引擎执行特定任务（比如网络数据通道加速、数据库查询卸载，视频转码）的步骤通过释放处理器完成其他任务进一步提高系统的效率。
根据若干展示性实施例，建立低功耗通用服务器计算机系统的方法是包括以下步骤的方法：使通信处理器变用途作为通用服务器处理器运行、为系统选择功率效率最高的组件、去除未使用的处理器端口、采用平台管理器以及调整处理器的CPU频率以实现性能每消耗瓦特最高比值。
本公开的各种展示性实施例在以下段落中呈现：
22A:低功耗通用机计算机服务器系统包括：主板，具有多个系统组件与之连接，这多个系统组件包括电力供应单元，包括多条电源轨向多个系统组件提供电力；外围板；主处理器，包括局部总线、多个主处理器内核、多个卸载引擎和在多个主处理器内核与多个卸载引擎之间连接的连接结构；以及平台管理器，以局部总线连接到主处理器，平台管理器被配置为控制由电力供应单元向来自多条电源轨的每条电源轨提供的电力。
22B:22A的系统，其中主处理器被配置为把预定的处理器任务卸载到多个卸载引擎，在最大负载下运行时具有近似530的最小的CoreMark评分对瓦特消耗比值，以及系统被配置为在最大负载下运行时，最大功耗近似130瓦特。
22C:22A-22B的系统，其中主处理器是通信处理器片上系统，被配置为作为通用计算机服务器处理器运行，以及平台管理器基于现场可编程门阵列(FPGA)，平台管理器包括平台管理器处理器、多个平台管理器内核以及在平台管理器处理器与多个平台管理器内核之间连接的平台管理器总线，而且平台管理器由平台管理器软件配置为控制由电力供应单元向来自多条电源轨的每条电源轨提供的电力。
22D:22A-22C的系统，其中主处理器运行在1.5GHz的频率，并且功耗小于近似85瓦特。
22E:22A-22D的系统，在近似25.5摄氏度的环境温度下，主处理器优选情况下具有低于近似67摄氏度的空闲运行温度，或者在近似25.5摄氏度的环境温度下，主处理器优选情况下具有低于近似77摄氏度的满载运行温度。
22F:22A-22D的系统，包括至少20条电源轨，优选情况下具有的形状因素使两个或更多系统能够放置在标准服务器机柜中。
22G:22A-22D的系统，其中电力供应单元具有近似90%的最低功率效率，并且平台管理器处理器优选情况下为ARM处理器。
22H:22A-22G的系统，进一步包括非易失性存储器组件，可操作地连接在主处理器与平台管理器之间，非易失性存储器组件用于存储以下信息至少其一:启动软件、电路板组件变量、软件配置变量以及由系统组件利用的固件映像，并且系统的操作软件优选情况下包括第一诊断软件和第一系统管理软件，而启动软件包括BIOS菜单、第二诊断软件和第二系统管理软件。
22I:22A-22D的系统，其中平台管理器进一步包括存储器模块，连接到平台管理器处理器以存储和执行平台管理器软件；专用寄存器组，连接到平台管理器处理器；以及共享寄存器组，连接在平台管理器处理器与主处理器之间，优选情况下，共享寄存器组包括修订寄存器和复位请求寄存器，而专用寄存器组包括控制寄存器和状态寄存器。
22J:22A-22D的系统，进一步包括多个系统风扇，其中平台管理器被配置为控制多个系统风扇使系统的温度保持在预定的范围之内。
附图简要说明
图1是组件框图，展示了根据本发明的一个实施例的低功耗计算机系统；
图2A展示了根据本发明实施例的高级别硬件组件图；
图2B展示了在本发明实施例的设计中采用的硬件组件的分解侧水平视图；
图3是框图，展示了本发明的一个实施例中可以采用的计算机处理器的组件及其连接；
图4是主板框图，展示了本发明的一个实施例中可以采用的组件及其相互作用；
图5是框图，展示了本发明的一个实施例中可以采用的平台管理器的各种组件；
图6是框图，展示了本发明的一个实施例中可以采用的平台管理器的各种硬件组件；
图7是在本发明的一个实施例中由平台管理器可以采用的各种软件和界面的框图；
图8是在本发明的一个实施例中可以采用的各种启动级软件及其功能或界面的框图；
图9是在本发明的一个实施例中由平台管理器可以采用的各种OS级软件和界面的框图；
图10是建立本发明的优选实施例时可以采用的各个步骤的流程图；
图11是在本发明的一个实施例中采用的处理器变用途时可以涉及的各个步骤的流程图；
图12是由本发明的一个实施例采用的平台管理器执行的步骤的流程图。
具体实施方式
本文公开了本系统和方法的详细实施例；不过应当理解，所公开的实施例仅仅是系统和方法的展示，它们可以以各种形式实施。另外，连同系统和方法的各种实施例给出的每个实例旨在展示，而不是限制。此外，附图不一定按比例绘制，某些特征可能被夸大以显示特定组件的细节。另外，图中所示的任何测量、规格等旨在展示，而不是限制。所以，除非明确声明，否则本文公开的特定结构和功能细节不应当解释为限制，而仅仅作为代表性的基础用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明。不仅如此，进行电力用量和温度测量时能够使用标准的装备和方法，比如举例来说，Valhalla数字功率分析仪和Apevia电力供应测试仪（如型号ATX-1B680W）与展示性实施例串联，以及热电偶网格（如近似1英寸×1英寸的热电偶网格）。
图1展示了优选实施例的高级别组件图，此实施例为通用计算机系统10。在优选实施例中，计算机系统是服务器计算机。管理程序11、BIOS菜单12、U-Boot BSP13、启动级诊断程序14和启动级系统管理器15软件可以包括系统中运行的启动级软件。应用程序16、诊断程序17、系统管理18和OS/驱动程序19软件可以包括计算机系统中运行的操作系统(OS)级软件。
如图2A和2B中展示的更多细节，硬件块20表示各种硬件组件，可以包括低功耗计算机系统的实施例。图4、5、6和7的实施例中详细展示的平台管理器60管理着处理器30的初始化、系统调试、系统安全，控制和监视着电力供应单元22，监视着系统的温度，或控制着一个或多个系统风扇68或69。
图2A和2B分别进一步展示了优选实施例的硬件组件框图和分解侧视图。主板50可以是印刷电路板(PCB)。计算机系统10可以采用电力供应单元(PSU)22，它可以包括高效率AC转DC电路，通过连接器连接到主板50。在优选实施例中，电力供应是开关模式110-240伏AC(VAC)转12伏DC(VDC)电力供应，可以在主输出轨、待机输出和输入/输出(I/O)信号提供12VDC，同时在0℃到45℃的运行温度范围内提供接近206瓦特的连续非降额最大输出功率能力。在一个实施例中，PSU22在12VDC主输出轨180瓦特输出负载下具有90%的功率效率。按钮板24可以包括一个或多个LED24-1，可以用于根据计算机系统的当前状态点亮电源按钮25。优选实施例采用前面板I/O板26作为主板50与任何前面板USB端口之间的接口，并且可以具有对于按钮板24和电源按钮25的驱动程序。在优选实施例中，前面板I/O板26连接或固定到外壳26-1，它用于容纳其他系统组件比如系统风扇69。一个实施例也采用了驱动器后平面27作为主板50与硬盘驱动器29之间的接口。不仅如此，此优选实施例可以采用PCIe提升板28。在一个实施例中，PCIe提升板28可以与主板50呈90°角相连，允许连接到PCIe提升板槽28的外围板28-1与主板50平行，从而进一步降低计算机系统的垂直轮廓。在另一个实施例中，电源按钮可以容纳在电源按钮外壳25-1中，它可以控制对电源按钮的接近，并且计算机系统10的组件可以容纳在外壳10-1中，它可以附着到可拆卸盖10-2和前面板门模块10-3。在优选实施例中，计算机系统10可以是工业标准LAMP服务器，基于变用途通信处理器，在满载和处理器频率1.5GHz下运行时功耗近似130瓦特。
图3展示的优选实施例采用片上系统(SOC)处理器30（即具有内建的外围接口）。在展示的实施例中，处理器30由主板50机械地支撑并电子地与之连接。处理器30包括一个或多个处理器内核31、独立高速缓存级31、32以及管理着处理器与硬盘驱动器(HDD)29的连接即接口的存储器控制器组件33。处理器30还包括一个或多个卸载引擎40(如用于常用操作比如模式匹配、加密块算法和缓冲管理）、以太网接口组件48、高速外设互连(PCIe)根联合体47以及串行器/解串器(SerDes)块49。不仅如此，处理器30还包括连接结构34将处理器内核31和存储器控制器33连接到卸载引擎40、PCIe根联合体47、以太网接口48或局部总线35。局部总线35又可以按需要连接到其他接口或组件，比如一个或多个通用异步接收机/发射机(UART)端口36、中断控制器接口37、预启动配置接口38、安全监视器接口39、电源管理接口41、内部集成电路(I2C)和/或串行外设接口(SPI)总线42、USB接口43、简化的千兆比特媒体独立接口(RGMII)44以及/或者时钟复位接口45。在优选实施例中，处理器可以是通信处理器，比如Freescale八核P4080通信处理器。在另一个实施例中，处理器可以是变用途处理器，在1.5GHz频率和满载下运行时功耗低于85瓦特。在某实施例中，处理器可以是变用途通信处理器，具有近似500的最小CoreMark评分对瓦特消耗比值。在一个实施例中，处理器可以是变用途通信处理器，具有近似530的CoreMark评分对瓦特消耗比值。CoreMark评分是专门针对处理器内核的通用基准测试，由嵌入式微处理器基准协会(EEMBC)开发。如同EEMBC的CoreMark网站(www.coremark.org)上介绍，CoreMark由读/写操作、整数运算和控制操作的真实混合的ANSI C代码组成。CoreMark使用的工作量由几个常用算法组成，包括矩阵运算（以允许MAC和常用数学运算的使用）、链接表操作（以训练指针的通常使用）、状态机操作（数据依赖分支的通常使用）和循环冗余校验（它是嵌入式使用的很常见的功能）。
如图2B和4所展示，主板50可以被用于机械地支撑和电子地把处理器30连接到各种组件。处理器30可以接合或连接到一个或多个存储器模块52。在优选实施例中，存储器模块52可以包括一个或多个64位双列直插式内存模块(DIMM)并可以使用一个或多个双倍数据速率类型3(DDR3)控制器33接合或连接到处理器30。处理器30也可以接合或连接到一个或多个以太网芯片54和55，以及高速外设互连(PCIe)28-1组件。在优选实施例中，PCIe根联合体47可以通过SerDes49接合或连接到PCIe。在另一个优选实施例中，处理器的以太网接口48可以包括一个或多个连接单元接口(AUI)(如XAUI)，可以接合或连接到一个或多个以太网PHY芯片54，以及/或者媒体独立接口(MII)（如SGMII），可以接合或连接到一个或多个以太网收发器55。在一个实施例中，PHY芯片54可以为TN20210G双端口，而以太网收发器55可以为VSC8234SGMII双端口。不仅如此，USB接口43可以包括一个或多个ULPI接口，可以使用适配器58连接到或接合视频显示连接器57(如HDMI)，以及可以用于使用HUB59提供一个或多个系统USB连接器。在优选实施例中，适配器58可以是DL125USB-DVI。
同样如图4中展示，主板50也可以被用于机械地支撑和电子地把平台管理器60的若干组件连接到非易失性存储器(NVM)53和其他系统组件。NVM53可以用于存储处理器30的启动和OS软件，并优选情况下可以为NOR闪存类型。在图4中展示的示范实施例中，平台管理器基于现场可编程门阵列集成电路(FPGA)71。FPGA71可以驻留在处理器30的局部总线35上，并可以采用ROM73存储和RAM72执行平台管理器的软件66。在一个优选实施例中，NVM可以被编程为允许通过平台管理器的UART74读取的外部数据编程到NVM中，从而允许FPGA软件66验证、擦除或重新编程NVM53的内容。平台管理器60可以包括JTAG总线，它可以连接到处理器调试端口，它可以为标准片上处理器(COP)调试端口46。FPGA71可以连接到一条或多条电源轨75，并可以用于电源轨75的启用或通电以及监视电源轨的电源状态。
图5、6和7展示了基于FPGA71的平台管理器60的示范实施例。图5展示了平台管理器60的优选实施例的高级别组件框图，它可以包括系统管理器接口62、UI和调试接口64、软件66以及硬件70若干块。
图6展示了接合或连接到计算机系统10的各种其他组件的基于FPGA的平台管理器60硬件块70的实例。平台管理器FPGA71可以包括处理器80。在一个实施例中，FPGA可以是Actel M1A3P1000LFPGA，而FPGA处理器80可以是ARM处理器。FPGA处理器80可以采用总线81与其他FGPA和系统组件比如FGPA存储器控制器83连接、通信或接合。在优选实施例中，总线可以是AMBA高性能总线(AHB)，它可以采用总线转换组件82比如AHB到APB(高级外设总线)转换器促进FPGA处理器与FPGA内核84、主处理器30和各种其他系统组件的接合或通信。FPGA内核84可以包括内核中断，它在适当时比如状态寄存器变化时可以向FPGA处理器80发送中断信号。在优选实施例中，FPGA也可以包括其他接口内核84，比如一个或多个SPI和I2C总线接口、UART接口、脉冲宽度调制(PWM)接口、时钟计时器接口以及系统监视器接口以促进FPGA处理器80与FPGA软件66(未显示)控制的其他组件的连接、通信或接合。在这样的实施例中，SPI总线接口可以用于启用系统的差分时钟发生器94的编程；FPGA处理器软件66可以采用I2C总线接口监视或控制温度93并相应地填充或更新FPGA寄存器、读取电力供应单元的状态91、验证和/或更新复位配置字(RCW)96或者编程时钟94。脉冲宽度调制(PWM)接口可以用于控制系统的一个或多个风扇68或69的速度和/或前面板LED24-1的彩色LED。监视器计时器可以使FPGA处理器的软件内核能够复位。
如图4和6的实施例中进一步展示，FPGA通过桥接器87与主处理器的局部总线35接合以提供各种功能，比如PORESET功能、FPGA到NVM53的读/写访问或者主处理器30与PFGA处理器80之间的通信。桥接器87包括一个或多个地址和数据寄存器（未显示），FPGA可以使用它们设置下一次访问局部总线35的地址和数据值。
平台管理器FPGA71采用一个或多个寄存器类型；虽然寄存器中的某些可能仅在FPGA处理器80的空间内可访问，但是也可以通过桥接器87使得其他寄存器在主处理器30空间内可访问。与主处理器30共享的FPGA寄存器比如修订和复位请求寄存器，可以由主处理器30通过局部总线35访问，类似于常规内存，也可以由FPGA访问，用于FGPA软件66执行的使用或控制。例如，复位请求寄存器可以通过直接读/写寄存器允许主处理器30请求外部子系统（如PCIe、以太网PHY等）的复位，当寄存器被重写时FPGA处理器80中断，并且FPGA软件66读取寄存器并在适当时处理实际的复位。如图6的基于FPGA的平台管理器的实施例所展示，FPGA71实施仅在FPGA处理器80的空间中可访问的一个或多个控制寄存器85和状态寄存器86。在一个实施例中，FPGA处理器软件66处理大多数系统控制，至少一个例外为RCW源应用程序到主处理器的局部总线35，这发生在系统复位信号PORESET的末尾。状态寄存器86用于从遍及整个系统向FPGA处理器80报告状态位。FPGA71被配置为采用一个或多个控制寄存器85启用遍及整个系统的若干位，比如电源启用、时钟启用或存储器写保护位，复位遍及整个系统的若干位或者向主处理器30通知外部事件。
图7展示了FPGA软件66的各种组件或功能的框图。软件66可以在系统10通电时运行但是可能把一切保持在复位状态同时等待电源按钮25按下。检测到电源按钮按下后，软件66可以按预定顺序启用各种电源轨75并初始化平台管理器组件。平台管理器处理器71可以包括菜单系统，通过它可以手动控制平台管理器的硬件块70。
图8展示了一个实施例中启动级软件组件的高级别框图。启动级软件可以是在完整OS开始载入之前运行的全部软件。在一个实施例中，BIOS菜单12是位于标准u-boot顶部但是呈现实质上类似于标准BIOS设置的状态和配置界面的专门区块。BIOS菜单界面可以通过与视频显示连接端口57连接的显示器，通过UART接口36到串行控制台，或者通过以太网54-55远程登录。管理员可以采用启动级诊断软件14采集关于处理器10或各个子块的信息以启用故障系统的早期检测。启动级系统管理器15可以负责在请求时或者被动地或者主动地把系统的健康或状况通知系统管理员。在一个实施例中，计算机系统可以是工业标准服务器计算机，并可以按期望使用NVM53、本机硬盘驱动器29、网络（通过NFS安装）、存储区域网络(SAN)上的外部存储设备或可移动介质(USB)上存储的OS软件映像启动OS，比如LinuxOS。
图9展示了一个实施例中OS级软件组件的高级别框图。应用程序16、诊断程序17、系统管理18以及包括一旦OS/驱动程序19加载则可以执行的各种示范软件。操作系统可以是Linux OS而标准OS内核和驱动程序软件可以是开源软件。应用程序块16可以包括标准Linux应用程序和应用程序硬件卸载界面，允许应用程序采用处理器的一个或多个卸载引擎，从而提高应用程序的性能同时降低负载和随之的处理器功耗。在一个实施例中，OS级系统管理块18使管理员能够在本地或远程地管理服务器，例如允许管理员管理全部硬件组件20、收集系统统计数据、运行系统诊断程序、升级固件以及收集健全、状态或故障信息，包括由启动级系统管理器15产生的信息。
图10展示的流程图步骤表示了降低计算机系统功耗或建立低功耗计算机系统的方法的一个实施例。计算机系统可以是通用服务器计算机系统。步骤100中，根据预定的标准可以首先选择适当的处理器30，然后重新配置、重新编程或改变用途。在一个实施例中，处理器可以是通信处理器，它可以被重新配置、重新编程或改变用途以用作服务器处理器。关于处理器30的选择，预定的选择准则可以包括低功耗、性能水平、存储器容量和带宽、输入/输出(IO)带宽以及/或者卸载引擎。可以测试或分析所选择的处理器以确定具有最高性能每瓦特消耗(Perf./Watt)比值的处理器。在一个实施例中，Perf./Watt测试可以是CoreMark和Phoronix测试，其中测试处理器以产生与其他相当的平台可以对比的基准。然后可以根据Perf/Watt比值、存储器容量和带宽、IO带宽以及卸载引擎选择系统处理器30。在一个实施例中，所选择的处理器可以包括有能力匹配或胜出有竞争力服务器处理器比如英特尔至强服务器处理器的性能水平的通信处理器。在一个实施例中，系统处理器30随后可以被选择为通信处理器，具有与有竞争力服务器处理器比如英特尔至强服务器处理器相当的CoreMarkPerf./Watt比值、至少32GB的存储器容量、至少20Gb/S的IO带宽以及高效的卸载引擎。
如图11中展示，处理器变用途步骤100可以进一步包括若干步骤，它们可以用于决定或确定在执行特定任务时是否采用处理器的卸载引擎。在图11的实施例的步骤110-120中，可以估计采用处理器30运行特定任务的电源要求，并且可以计算这样做时对应的Perf./Watt比值。步骤130-140中，采用处理器的一个或多个卸载引擎执行任务时可以执行类似的估计和计算。步骤150中，对比所算出的Perf./Watt比值并可以根据优胜的Perf./Watt比值使用处理器170或卸载引擎160执行任务。
如图10中展示，步骤200中，可以根据预定的准则选择系统硬件组件20。在一个实施例中，要选择的主要系统组件可以包括处理器30、平台管理器FPGA71、PSU22、电源轨75、以太网端口54-55、NVM53、显示芯片58、时钟芯片94、USB集线器59或PCIe控制器47。在一个实施例中，选择准则可以包括性能、功率效率和附加的组件专用特征。
如图12中展示，管理系统电源步骤400中，测量系统的温度420可以在系统的起始状态410，它可以为系统ON状态伴随系统风扇禁用或关闭。如果系统的温度确定为低于预定的阈值水平430，那么系统的起始状态可以不做改变。如果系统的温度高于预定的阈值但低于临界阈值水平430-440，可以按照需要启用或激活系统的一个或多个风扇450。在包括6个系统风扇的一个实施例中，例如，风扇2、4和6可以在偶数周期启用，否则风扇1,、3、5可以在适当时启用。如果系统温度确定为已经超出预定的临界水平440，那么按照需要可以启用系统的全部风扇460，并且如果系统的温度没有开始降低470，那么系统可以被强制转为临界状态480。
以上介绍的实施例的特定结构和功能细节不应当被解释为限制，而仅仅作为教导本领域的技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。

Claims (20)

1.一种低功耗的通用计算机服务器系统，包括：
主板，具有多个系统组件与之相连，多个系统组件包括：
电力供应单元，包括多条电源轨用于向多个系统组件提供电力；
外围板：
主处理器，包括：
局部总线；
多个主处理器内核；
多个卸载引擎；以及
连接结构，连接在多个主处理器内核与多个卸载引擎之间；
其中，主处理器被配置为把预定的处理器任务卸载到多个卸载引擎，以及在最大负载下运行时具有近似530的最小的CoreMark评分对瓦特消耗比值；
平台管理器，以局部总线连接到主处理器，平台管理器被配置为控制由电力供应单元向来自多条电源轨的每条电源轨提供的电力；以及
其中，低功耗的通用计算机服务器系统在最大负载下运行时最大功耗近似130瓦特。
2.根据权利要求1的系统，其中，主处理器是通信处理器片上系统，被配置为作为通用计算机服务器处理器运行，而平台管理器基于现场可编程门阵列FPGA，平台管理器包括：
平台管理器处理器；
多个平台管理器内核；以及
平台管理器总线，连接在平台管理器处理器与多个平台管理器内核之间；
其中，平台管理器由平台管理器软件配置为控制由电力供应单元向来自多条电源轨的每条电源轨提供的电力。
3.根据权利要求1的系统，其中，主处理器在近似1.5GHz频率运行并消耗低于近似85瓦特的电力。
4.根据权利要求1的系统，在近似25.5摄氏度的环境温度下，主处理器具有低于近似67摄氏度的空闲运行温度。
5.根据权利要求1的系统，在近似25.5摄氏度的环境温度下，主处理器具有低于近似77摄氏度的满载运行温度。
6.根据权利要求1的系统，包括至少二十条电源轨。
7.根据权利要求1的系统，具有的形状因素使两个或更多系统能够放置在标准服务器机柜中。
8.根据权利要求1的系统，其中，电力供应单元具有近似90%的最低功率效率。
9.根据权利要求2的系统，其中，平台管理器处理器是ARM处理器。
10.根据权利要求1的系统，进一步包括非易失性存储器组件，可操作地连接在主处理器与平台管理器之间，非易失性存储器组件用于存储启动软件、电路板组件变量、软件配置变量和由系统组件利用的固件映像至少其一。
11.根据权利要求10的系统，进一步包括操作系统软件，它包括第一诊断软件和第一系统管理软件，其中，启动级软件包括BIOS菜单、第二诊断软件和第二系统管理软件。
12.根据权利要求2的系统，进一步包括连接到平台管理器处理器的存储器模块以存储和执行平台管理器软件。
13.根据权利要求12的系统，平台管理器进一步包括：
连接到平台管理器处理器的专用寄存器组；以及在平台管理器处理器与主处理器之间连接的共享寄存器组。
14.根据权利要求13的系统，其中，共享寄存器组包括修订寄存器和复位请求寄存器，而专用寄存器组包括控制寄存器和状态寄存器。
15.根据权利要求1的系统，进一步包括多个系统风扇，其中，平台管理器被配置为控制多个系统风扇把系统的温度保持在预定的范围内。
16.一种通用服务器计算机系统，包括：
变用途通信处理器，在1.5GHz频率和最大负载下运行时具有近似530的最小CoreMark评分对瓦特消耗比值；
具有至少90%的功率效率的电力供应单元，电力供应单元包括多条电源轨；以及
平台管理器，被配置为控制向电源轨提供的电力；以及
其中，计算机系统在最大负载下运行时，消耗低于近似130瓦特。
17.根据权利要求16的系统，进一步包括非易失性存储器组件，可操作地连接在变用途通信处理器与平台管理器之间，其中，非易失性存储器组件用于存储启动软件和操作系统软件。
18.根据权利要求17的系统，其中，操作系统软件包括第一诊断软件和第一系统管理软件，而启动级软件包括BIOS菜单、第二诊断软件和第二系统管理软件。
19.根据权利要求16的系统，其中，平台管理器基于现场可编程门阵列FPGA，平台管理器包括：
平台管理器处理器；
多个平台管理器内核；以及
平台管理器总线，连接在平台管理器处理器与多个平台管理器内核之间。
20.一种建立低功耗的计算机系统的方法，包括：
把专用处理器变用途为用作通用服务器处理器，专用处理器具有多个处理器内核、端口和卸载引擎；
根据性能和功率效率选择系统组件组；
去除专用处理器未使用的端口；
采用具有近似90%的最低功率效率的电力供应单元；
采用平台管理器控制由电力供应单元通过多条电源轨向系统组件组提供的电力；以及
调整专用处理器的频率以实现近似530的最小CoreMark评分每瓦特消耗比值。
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