CN105786615A - 用于优化处理器的控制方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于优化处理器的控制方法和控制系统。该控制方法包括：在第一时期确定所述处理器的实际利用率状态；以及基于所述第一时期的所述实际利用率状态，在第二时期调整所述处理器的性能和/或功率，其中所述第二时期是在所述第一时期之后。本发明可以更准确和更有效地优化处理器。

Description

用于优化处理器的控制方法和控制系统
【技术领域】
本发明关于一种用于优化处理器的控制方法和控制系统。更具体地，关于一种通过利用比例积分微分(ProportionalIntegralDerivative，PID)调节器来优化处理器的控制方法和控制系统。
【背景技术】
处理器被广泛地用在许多电子设备中以执行各种线程(thread)。不同线程需要不同的工作请求或加载来用于处理器。如果一个线程需要很多工作请求，或在同一时间有太多线程运行，则将需要高性能的处理器来处理这种情况，这导致消耗更多的功率。如果一个线程需要很少的工作请求，或者在同一时间有很少的线程运行，则低性能将足以为处理器处理这种情况，而无需耗费太多的功率。
然而，很难预测或确定线程需要的请求，因为在当前线程正在运行或另一个线程被启动(initiated)时，该请求是动态改变的。此外，还有很多因素影响处理器的性能和功率。分析这些因素将是复杂的并耗费时间。因此，需要易于实现的控制方法和控制系统用于动态地优化处理器而不需分析多种因素。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提供一种用于优化处理器的控制方法和控制系统，可以更准确和更有效地优化处理器。
依据一实施例，本发明提出一种用于优化处理器的控制方法，包括：在第一时期确定所述处理器的实际利用率状态；以及基于第一时期的实际利用率状态，在第二时期调整处理器的性能和/或功率，其中第二时期是在第一时期之后。
依据另一实施例，本发明提出一种用于优化处理器的控制系统，包括监视器和PID调节器。监视器在第一时期确定处理器的实际利用率状态；以及PID调节器基于第一时期的实际利用率状态，在第二时期调整处理器的性能和/或功率，其中第二时期是在第一时期之后。
根据本发明第一方面，在调整处理器的性能和/或功率之前，控制系统还确定处理器的目标利用率值。在监控器确定实际利用率状态之后，PID调节器从所确定的实际利用率状态提取实际利用率值以评估处理器的整体利用率。此外，在PID调节器提取实际利用率值并确定目标利用率值之后，PID调节器比较实际利用率值与目标利用率值以获得用于调整处理器的性能和/或功率的误差值。另外，在PID调节器确定实际利用率状态与目标利用率值之后，PID调节器比较实际利用率状态与目标利用率值以获得用于调整处理器的性能和/或功率的误差值。
根据本发明另一方面，在PID调节器调整处理器的性能和/或功率之前，PID调节器基于实际利用率状态来确定比例参数、积分参数和微分参数，以获得动态调整值。比例参数是从第一时期的最近误差值所确定，积分参数从第一时期的长时间内的误差值所确定，以及微分参数是从第一时期的短时间内的误差值所确定。根据本发明另一方面，积分参数对应于低频率，以及微分参数对应于高频率。此外，比例参数、积分参数和微分参数具有不同的权重以用于获得动态调整值，以及比例参数、积分参数和微分参数的权重是根据处理器的特性来确定的。
根据本发明再一方面，PID调节器在第二时期通过调整被操作的处理器的工作频率和/或工作电压来调整处理器的性能和/或功率。此外，当处理器是多核处理器时，PID调节器在第二时期通过确定被启动用于操作处理器的核心数量来调整处理器的性能和/或功率。根据本发明又一方面，PID调节器在第二时期通过确定用于操作处理器的至少一部分存储器来调整处理器的性能和/或功率。
为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
【附图说明】
图1为根据本发明的控制系统的示意图。
图2为根据本发明的控制方法的流程图。
图3为根据本发明的电子设备和控制系统的示意图。
图4为根据本发明的电子设备和控制系统的另一示意图。
图5A为用于处理器的工作请求的示意图。
图5B和图5C为本发明控制方法的实际利用率状态和动态调整值的示意图。
图5D和图5E为没有利用本发明控制方法的实际利用率和动态调整值的示意图。
图6A为处理器的工作请求的示意图。
图6B和图6C为本发明控制方法的实际利用率状态和动态调整频率的示意图。
图6D、图6E和图6F为本发明控制方法的比例参数、积分参数及微分参数的示意图。
【具体实施方式】
以下描述是本发明实施的较佳实施例。以下实施例仅用来例举阐释本发明的一般原理，并非用来限制本发明的范畴。整个说明书和所附权利要求书的某些术语和附图用来指代特定元件。如本领域技术人员所知，制造商可以用不同的名字指代一个元件。本文档并不意图在名称不同但功能相同的组件之间进行区分。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“设备”可以是关于计算机(其为硬件，软件，或硬件和软件的组合)的实体。因此，如果一个设备被耦接到另一设备，则该连接可以是通过直接电连接，或者通过经由其他连接的间接电连接。
图1为根据本发明的控制系统10的示意图。控制系统10可以是用于电子设备的处理器的局部结构。该处理器可以是中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)。例如，所述处理器还包括数字信号处理器(DSP)、微控制器(MCU)或涉及并行处理环境的多个并行处理器以实现控制系统10的操作系统(operatingsystem，OS)、固件、驱动器和/或其他应用。电子设备可以是移动电子设备，诸如蜂窝电话、平板电脑、手提电脑或PDA，或可以是诸如台式计算机或服务器的电子设备。在另一个实施方案中，控制系统10可以被实施成功率管理集成电路(powermanagementintegratedcircuit，PMIC)，为处理器或电子设备管理电源供应。
如图1所示，控制系统10包括监视器(monitor)100和比例积分微分(PID)调节器(governor)200。PID调节器200包括至少一个比例控制器210A、至少一个积分控制器220A、至少一个微分控制器230A、以及至少两个加法器260A和260B。在一个实施例中，监视器100用来在第一时期确定处理器的实际利用率状态以及从所确定的实际利用率状态提取实际利用率值，以评估处理器的整体利用率。PID调节器200用来确定处理器的目标利用率值，比较实际利用率值与目标利用率值以获得用于调整处理器性能和/或功率的误差值，确定比例参数、积分参数及微分参数以获得动态调整值，以及根据该动态调整值在第二时期调整处理器的性能和/或功率。应当指出的是，仅监控处理器过去的实际利用率状态，而不收集和分析处理器相关的多种因素。随后，根据所监控的实际利用率状态可以确定三个PID参数并且可以调整处理器的当前性能和功率。如此，本发明的控制系统10提供了一种高效且易于实施的方法，用于基于处理器过去的使用率状态来优化处理器。
图2为根据本发明的控制方法的流程图。该控制方法与图1所示的控制系统10一起实施。在步骤S200中，在第一时期确定处理器的实际利用率状态。在步骤S202中，从所确定的实际利用率状态中提取实际利用率值，以评估处理器的整体利用率。在步骤S204中，确定处理器的目标利用率值。应当指出的是，在一些实施方案中，步骤S204可以在步骤S200或S202之前执行。例如，目标利用率值是预定值或者可以由用户来确定。此后，在步骤S206中，实际利用率值与目标利用率值比较，以获得用于调整处理器性能和/或功率的误差值。在步骤S208中，基于实际利用率状态确定比例参数、积分参数和微分参数以获得动态调整值。更具体地，动态调整值可以是动态电压/频率调节(dynamicvoltage/frequencyscaling，DVFS)点。随后，在步骤S210中根据动态调整值来在第二时期调整处理器的性能和/或功率。例如，根据DVFS点调整处理器的电压或频率。
图3为根据本发明的电子设备20和控制系统10的示意图。控制系统10包括监视器100、加法器260A、比例控制器210A、积分控制器220A、微分控制器230A和加法器260B。加法器260A耦接在监视器100和三个控制器210A～230A之间，以及三个控制器210A～230A耦接在加法器260A和260B之间。应当指出的是，图3的示意图所示的布置用于说明而非限制。例如，在一些实施方案中，控制系统10被嵌入在电子设备20的处理器中。另外，图3的电子设备20表示电子设备20的软件和硬件的操作过程。如图3所示，反馈控制回路由控制系统10和电子设备20形成。
在一个实施例中，监视器100在第一时期确定电子设备20的实际利用率状态a(t)。更具体地，监视器100在第一时期检测电子设备20的处理器，并确定电子设备20的处理器的实际利用率状态a(t)。例如，处理器被用于执行各种线程，如检测触摸操作或执行软件应用程序。实际利用率状态a(t)被用于指示利用处理器来执行线程的程度。然后，监视器100从所确定的实际利用率状态a(t)提取至少一个实际利用率值y(t)，以在监视器100确定实际利用率状态a(t)之后评估处理器的整体利用率。
此外，控制系统10在其调整处理器性能和/或功率之前确定所述处理器的目标利用率值r(t)。目标利用率值r(t)也可以由用户确定或对应于电子设备20的设计来确定。更具体地，目标利用率值r(t)是百分比值。如果目标利用率值r(t)是一个高值，如95％，这意味着处理器为性能导向的并满足线程的要求。如果目标利用率值r(t)为约50％，这意味着处理器或不完全被占用以及存在一些缓冲器来为处理器处理一些紧急情况。如图3所示，加法器260A将实际利用率值y(t)与目标利用率值r(t)比较，以获得误差值e(t)用于调整处理器的性能和/或功率。误差值e(t)也可以通过从目标利用率值r(t)减去实际利用率值y(t)来提供。应当指出的是，在一些实施方案中，调节器100不提取实际利用率值y(t)，加法器260A比较实际利用率状态a(t)与目标利用率值r(t)，以获得误差值e(t)。
此外，比例控制器210A、积分控制器220A和微分控制器230A基于实际利用率状态分别确定比例参数、积分参数和微分参数，以获得动态调整值u(t)。比例参数由比例控制器210A确定，积分参数由积分控制器220A确定，以及微分参数由微分控制器230A确定。更具体地，比例参数是从第一时期的最近误差值e(t)所确定，积分参数从第一时期的长时间内的误差值e(t)所确定，以及微分参数是从第一时期的短时间内的误差值e(t)所确定。在一个实施方案中，积分参数对应于低频率，以及微分参数对应于高频率。换言之，积分参数主要涉及处理器的低工作频率，例如3s到5s。微分参数主要涉及处理器的高工作频率，例如10ms到50ms。
关于比例参数，它可表示为Kp·e(t)。换句话说，比例参数与当前误差值e(t)成比例，并且它可以通过误差值e(t)乘以常数Kp(其被称为比例增益常数)来调整。比例参数被用来评估用于电子设备20的处理器的当前状态。当实际利用率状态a(t)和目标利用率值r(t)之间有巨大差距或者实际利用率值y(t)和目标利用率值r(t)之间有巨大差距时，比例参数起着重要的作用。
关于积分参数，它可表示为积分参数与误差值e(t)的幅度和误差的持续时间成比例。在一个实施方案中，积分参数是长时间操作期间用于处理器的瞬时误差值e(t)的总和，并消除了累计偏移量。因为积分参数是通过积分一段长时间上多个误差值e(t)而获得，所以它主要涉及处理器的低工作频率。此后，累计误差值e(t)乘以积分增益Ki，以获得积分参数并达到平衡点(equilibriumpoint)。
关于微分参数，它可表示为更具体地，本发明的微分参数是通过确定处理器的短时间操作时期上两个误差值e(t)之间的斜率，并且以微分增益Kd乘以该斜率值来计算的。因为微分参数通过确定短时期内的误差值e(t)的斜率而获得，所以它主要涉及处理器的高工作频率。应当指出的是，当处理器要求高性能时更强调微分参数。
在另一个实施方案中，比例参数、积分参数和微分参数具有不同的权重以用于获得动态调整值u(t)。比例参数、积分参数和微分参数的权重是根据处理器的特性来确定的。一些线程或应用程序可能需要仅使用比例参数、积分参数和微分参数的一个或两个来提供控制方法。这是通过将其他参数设置为较低权重或零来实现的。例如，如果处理器需要高性能，则微分参数可具有比其他两个PID参数更高的权重。如果处理器需要低功率，则积分参数可具有比其他两个PID参数更高的权重。
如图3所示，动态调整值u(t)由集合比例参数、积分参数和微分参数的加法器260B产生。动态调整值u(t)在第一时期基于实际利用率状态而获得。应当指出的是，动态调整值u(t)可以是DVFS点，其包括用于调整的频率信息和电压信息。换句话说，控制系统10在第一时期之后的第二时期通过调整被操作的(beingoperated)处理器的工作频率和/或工作电压来调整处理器的性能和/或功率。例如，当实际利用率状态a(t)大于目标利用率值r(t)时，误差值e(t)将反映实际利用率状态a(t)与目标利用率值r(t)之间的差异并促成产生动态调整值u(t)。之后，实际利用率状态a(t)可以通过增加处理器的工作频率来降低，其中该处理器由动态调整值u(t)指示。
在一个实施方案中，当处理器是多核处理器时，控制系统10在第二时期通过确定被启动用于操作(operate)处理器的核心数量来调整处理器的性能和/或功率。例如，如果需要高性能用于操作处理器，则将需要启动多个核以用于提供高性能。如果需要低性能用于操作处理器，则少数核心或一个单一核心将足以提供低性能。在另一个实施方案中，控制系统10在第二时期通过确定用于操作处理器的至少一部分存储器来调整处理器的性能和/或功率。如果需要高性能用于操作处理器，则将需要启动很大一部分存储器以用于提供高性能。如果需要低性能用于操作处理器，则一小部分存储器将足以提供低性能。
图4为根据本发明的电子设备20和控制系统10的另一示意图。与图3的实施例相比，图4的控制系统10还包括加法器260C，并且还包括设置在加法器260A和260C之间的比例控制器210B、积分控制器220B和微分控制器230B。因此，图3的控制系统是单回路结构，图4的控制系统是多回路结构。比例控制器210B、积分控制器220B和微分控制器230B分别确定比例参数、积分参数及微分参数。加法器260C基于实际利用率状态a(t)或实际利用率值y(t)集合比例参数、积分参数和微分参数以获得另一动态调整值u’(t)。具体地，比例参数是从第一时期的最近误差值e(t)所确定，积分参数从第一时期的长时间内的误差值e(t)所确定，以及微分参数是从第一时期的短时间内的误差值e(t)所确定。应当指出的是，动态调整值u’(t)被用来调整目标利用率值r(t)。因此，可以根据电子设备20的实际利用率状态a(t)动态地调整目标利用率值r(t)以更准确和更有效地优化处理器和电子设备。
图5A为用于处理器的工作请求的示意图。图5B和图5C为本发明控制方法的实际利用率状态a(t)和动态调整值u(t)的示意图。如图5A所示，工作请求在P1时期迅速增加。关于图5B的实际利用率状态a(t)，通常实际利用率状态a(t)为80％以上以及目标利用率值r(t)约为95％。图5B的实际利用率状态a(t)对应于图5A迅速增加的工作请求也在时期P1出现波动并迅速增加。因此，动态调整值u(t)根据实际利用率状态a(t)而产生。更具体地，图5C的动态调整值u(t)代表处理器的工作频率。在时间T1，其是在P1时期之后，动态调整值u(t)从2.5增加至约3.2。因为工作频率在时间T1增加，因此实际利用率状态a(t)减少并保持80％左右。在一些实施方案中，目标利用率值r(t)也可以由具有本发明PID调节器的控制系统来动态地调整。
图5D和图5E为没有利用本发明的控制方法的实际利用率和动态调整值的示意图。关于5D的实际利用率状态，通常实际利用率状态是在50％以上以及目标利用率值约为60％。图5D的实际利用率状态a(t)对应于图5A迅速增加的工作请求也在时期P1出现波动并迅速增加。因此，动态调整值是根据实际利用率状态而产生。更具体地，图5E的动态调整值表示处理器的工作频率。在时间T1，其是在P1时期之后，动态调整值从4.0增加至约5.2。因为工作频率在时间T1增加，所以实际利用率状态a(t)减少并保持约50％。应当指出的是，因为功率消耗与工作频率成比例，因此如图5B和图5C所示的本发明控制方法的功率消耗要低于如图5D和图5E所示的无本发明控制方法的功率消耗。此外，通过利用本发明控制方法的功率消耗，单元功率的性能可提高27％。
图6A为处理器的工作请求的示意图。图6B和图6C为本发明控制方法的实际利用率状态和动态调整频率的示意图。如图6A所示，工作请求在P2时期迅速增加。关于图6B的实际利用率状态a(t)，通常实际利用率状态a(t)为80％以上以及目标利用率值r(t)为约95％。图6B的实际利用率状态a(t)对应于图6A迅速增加的工作请求也在时期P2出现波动并迅速增加。在时间T2，其是在P2时期后，动态调整频率从600MHz增加至约800Mz。因为工作频率在时间T2增加，所以实际利用率状态a(t)减少并保持80％左右。
图6D、图6E和图6F为本发明控制方法的比例参数、积分参数及微分参数的示意图。比例参数和积分参数对应于图6B的实际利用率状态的波动在时期P2也波动并增加，并在P2时期之后几乎一直保持。图6F的微分参数不会迅速改变，因为实际利用率状态a(t)和目标利用率值r(t)之间的差异小。仅监控及检测处理器过去的实际利用率状态，以及根据所监控的实际利用率状态可以确定三个PID参数以及可以调整处理器的当前性能和功率。因此，本发明的控制方法和控制系统是很容易实现的，并且可以用于动态地及迅速地优化处理器。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。此外，本申请的范围并非被限定于在说明书中描述的具体实施方案中的过程、机器、制造、组合物、方法和步骤。本领域的普通技术人员从本发明的揭示内容可以了解，根据本申请的揭示，当前存在或以后待开发的过程、机器、制造、组合物、装置、方法或步骤可以用来执行所述相应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果。

Claims (26)

1.一种用于优化处理器的控制方法，其特征在于，包括：
在第一时期确定所述处理器的实际利用率状态；以及
基于所述第一时期的所述实际利用率状态，在第二时期调整所述处理器的性能和/或功率，其中所述第二时期是在所述第一时期之后。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：在调整所述处理器的性能和/或功率的步骤之前，确定所述处理器的目标利用率值。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括：在确定所述实际利用率状态的步骤之后，从所确定的实际利用率状态提取实际利用率值以评估所述处理器的整体利用率。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：在提取所述实际利用率值及确定所述目标利用率值的步骤之后，比较所述实际利用率值与所述目标利用率值以获得用于调整所述处理器的性能和/或功率的误差值。
5.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括：在确定所述实际利用率状态与所述目标利用率值的步骤之后，比较所述实际利用率状态与所述目标利用率值以获得用于调整所述处理器的性能和/或功率的误差值。
6.如权利要求5所述的频率合成模块，其特征在于，还包括：在调整所述处理器的性能和/或功率的步骤之前，基于所述实际利用率状态来确定比例参数、积分参数和微分参数，以获得动态调整值。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述比例参数是从所述第一时期的最近误差值所确定，所述积分参数从所述第一时期的长时间内的误差值所确定，以及所述微分参数是从所述第一时期的短时间内的误差值所确定。
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述积分参数对应于低频率，以及所述微分参数对应于高频率。
9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述比例参数、所述积分参数和所述微分参数具有不同的权重以用于获得所述动态调整值。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述比例参数、所述积分参数和所述微分参数的所述权重是根据所述处理器的特性来确定的。
11.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，调整所述处理器的性能和/或功率的步骤包括在所述第二时期调整被操作的所述处理器的工作频率和/或工作电压。
12.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述处理器是多核处理器时，调整所述处理器的性能和/或功率的步骤包括在所述第二时期确定被启动用于操作所述处理器的核心数量。
13.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，调整所述处理器的性能和/或功率的步骤包括在所述第二时期确定用于操作所述处理器的至少一部分存储器。
14.一种用于优化处理器的控制系统，其特征在于，包括：
监视器，在第一时期确定所述处理器的实际利用率状态；以及
比例积分微分调节器，基于所述第一时期的所述实际利用率状态，在第二时期调整所述处理器的性能和/或功率，其中所述第二时期是在所述第一时期之后。
15.如权利要求14所述的控制系统，其特征在于，在调整所述处理器的性能和/或功率之前，所述控制系统还确定所述处理器的目标利用率值。
16.如权利要求15所述的控制系统，其特征在于，在所述监控器确定所述实际利用率状态之后，所述比例积分微分调节器从所确定的实际利用率状态提取实际利用率值以评估所述处理器的整体利用率。
17.如权利要求16所述的控制系统，其特征在于，在提取所述实际利用率值及确定所述目标利用率值之后，所述比例积分微分调节器比较所述实际利用率值与所述目标利用率值以获得用于调整所述处理器的性能和/或功率的误差值。
18.如权利要求15所述的控制系统，其特征在于，在确定所述实际利用率状态与所述目标利用率值之后，所述比例积分微分调节器比较所述实际利用率状态与所述目标利用率值以获得用于调整所述处理器的性能和/或功率的误差值。
19.如权利要求18所述的控制系统，其特征在于，在所述比例积分微分调节器调整所述处理器的性能和/或功率之前，所述比例积分微分调节器基于所述实际利用率状态来确定比例参数、积分参数和微分参数，以获得动态调整值。
20.如权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述比例参数是从所述第一时期的最近误差值所确定，所述积分参数从所述第一时期的长时间内的误差值所确定，以及所述微分参数是从所述第一时期的短时间内的误差值所确定。
21.如权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述积分参数对应于低频率，以及所述微分参数对应于高频率。
22.如权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述比例参数、所述积分参数和所述微分参数具有不同的权重以用于获得所述动态调整值。
23.如权利要求22所述的控制系统，其特征在于，所述比例参数、所述积分参数和所述微分参数的所述权重是根据所述处理器的特性来确定的。
24.如权利要求14所述的控制系统，其特征在于，所述比例积分微分调节器在所述第二时期通过调整被操作的所述处理器的工作频率和/或工作电压来调整所述处理器的性能和/或功率。
25.如权利要求14所述的控制系统，其特征在于，当所述处理器是多核处理器时，所述比例积分微分调节器在所述第二时期通过确定被启动用于操作所述处理器的核心数量来调整所述处理器的性能和/或功率。
26.如权利要求14所述的控制系统，其特征在于，所述比例积分微分调节器在所述第二时期通过确定用于操作所述处理器的至少一部分存储器来调整所述处理器的性能和/或功率。
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