CN108475099B - 用于控制工作电压的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
提出了一种用于控制电子设备的工作电压的控制系统(100)。该电子设备设置有对与该电子设备的操作有关的诸如错误之类的定时事件作出响应的定时事件检测器。该控制系统包括控制器(101)，其用于当定时事件的发生率低于目标水平时减小工作电压，当定时事件的发生率高于目标水平时增大工作电压，以便搜索阈值电压，该阈值电压为工作电压的最小值，在该阈值电压处，定时事件的发生率基本上处于目标水平。该控制系统包括可控时钟信号发生器(102)，其用于产生用于使电子设备工作的时钟信号以使得时钟频率取决于工作电压的递增函数。因此能够找到使能耗最小的电压‑频率工作点。
Description
技术领域
本公开总体上涉及控制电子设备的能耗，电子设备例如但不必是数字处理器电路。更特别地，本公开涉及用于控制提供给电子设备的工作电压的方法及系统。此外，本公开涉及一种用于控制提供给电子设备的工作电压的计算机程序。
背景技术
许多情况下，诸如数字处理器电路之类的电子设备的能耗是关键问题。例如，诸如物联网“IoT”、工业互联网“II”和万维网“IoE”之类的技术正处于巨大突破的前夕，并且该突破背后主要的驱动力是无处不在的无线处理节点。然而，在给定距离上传输比特(bit)的能耗并不能按照摩尔定律进行如无线节点内的数字处理那样有利地度量。因此，与数字处理相比较，无线传输的能量成本将按比例增长。因此，提高能量效率需要增大节点内处理的量以使数据的无线传输最小。因此，即使不是待优化的最重要部件，处理器和数字信号处理器(DSP)也将成为待优化的重要部件之一。这将因无线节点的日益增加的功能(例如机器学习、视频等)而变得复杂。
例如，在传统的数字互补金属氧化物半导体“CMOS”设计中，工作电压(即电源电压VDD)通常为1伏特或更大。由功耗指示的能耗大致取决于工作电压的二次方，即功耗与VDD2大致成正比。因此，针对从能量约束系统(例如，物联网“IoT”)到热约束系统(例如服务器)的广泛应用，有很强的动机来减小工作电压。工作电压VDD由于以下原因而存在下限：a)技术功能限制，诸如例如CMOS技术以及b)性能限制，诸如例如对工作速度的限制。通过在略微高于工作电压VDD的下限或接近阈值电压“NTV”处操作，数字设计是鲁棒的，具有低能耗以及良好的性能。因此，越来越多的研究人员和公司建立数字NTV设计。在某些情况、尤其是与中央处理单元“CPU”相结合的情况下，工作电压常常被称为核心电压。
NTV的潜在市场在不久的将来的电子应用中，如上述提到的物联网“IoT”和无线健康及医疗保健。预计在医疗保健行业中的增长将是主要驱动因素之一，并且预计将对嵌入式系统需求产生积极的影响。这要归因于在诸如血糖监控器之类的医疗设备中使用的大量嵌入式系统。
在理想情况下，电子系统将能够使其工作电压从额定工作电压降到NTV。然而，使工作电压降到阈值电压以下会造成巨大的性能损失，并且在实际中可能导致功能上的故障。因此，为了在NTV处工作，需要一种识别阈值电压所处位置的方法。该方法有利地是动态的，这是由于例如CMOS设备的阈值电压随局部变量和全局变量(例如温度)两者的变化而改变。除此之外，在现代CMOS中使用体偏压来有意地移动阈值电压。在用于减小能耗的已知技术方案中，工作电压VDD是借助于查找表来确定的，该查找表给出了作为诸如例如吞吐量需求和/或温度之类的工作参数的函数的工作电压的值。然而，由于查找表在电子系统的设计阶段被最终确定，因而该查找表必须包括安全裕度以克服动态变化及后期的设计变量。这种安全裕度导致运行时的能量损失。
例如在以下文献：US8924902、US8237477和US8072796中描述了与优化能耗相结合和/或与优化能耗相关的技术方案。
发明内容
下文提供了简要概述，以便提供对本发明各实施例的一些方面的基本理解。该概述并非是对本发明的详尽概括。该概述既不是为了标识本发明的关键点，也不是为了描述本发明的范围。下文的概述仅以简化的形式呈现某些构思，以作为对本发明示例性实施例的更详细描述的前序。
根据本发明，提供了一种新的控制系统，其用于对提供给诸如例如数字处理器电路之类的电子设备的工作电压VDD进行控制。该电子设备设置有对与该电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器。该定时事件可以例如是例如对以下事件作出响应：与电子设备的操作有关的错误、和/或与该设备的动态操作相关的信号(如借用时间信号)、和/或直接或间接指示电子设备的工作质量、性能或一些其他适当属性的任何其他信号或事件。
根据本发明的控制系统包括：
控制器，用于确定定时事件的发生率，当所述定时事件的发生率在目标水平以下时减小工作电压，而当所述定时事件的发生率超过目标水平时增大工作电压，以搜索阈值电压，该阈值电压是工作电压的最小值，在阈值电压处，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平，以及
可控时钟信号发生器，用于产生用于使所述电子设备工作的时钟信号，表示所述时钟信号的脉冲率的时钟频率Fclk取决于所述工作电压的递增函数，以使得当工作电压高于阈值电压时，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平，而当工作电压低于阈值电压时，所述定时事件的发生率超过目标水平。
在本文中，术语“递增函数(increasing function)”指的是导数为正的函数，例如dFclk/dVDD>0，即当工作电压减小时时钟频率减小，而当工作电压上升时时钟频率增大。上述定时事件的发生率可以例如但不必是与电子设备的操作有关的错误率。
当搜索上述阈值电压时，由于上述时钟频率Fclk随着工作电压VDD一起改变，因此能够找到使电子设备的能耗最小的电压-频率工作点，使得所检测到的定时事件发生率仍然保持在可接受的水平，因此性能不会崩溃。有利地，控制系统被配置成在电子设备工作期间进行操作，以相对于工作条件(例如温度)的改变来动态调整工作电压VDD和时钟频率Fclk。
根据本发明，还提供了一种新的电子系统，该电子系统包括：
电子设备，其设置有对与该电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器，以及
根据本发明的控制系统，其用于控制提供给电子设备的工作电压。
该电子设备还可以包括对与电子设备的操作有关的错误作出响应以对与所述电子设备的操作有关的错误进行修正的错误修正和/或错误防止逻辑(error-repair and/orerror prevention logic)。
根据本发明，还提供了一种用于控制提供给电子设备的工作电压的新方法，所述电子设备设置有对与所述电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器。根据本发明的方法包括：
确定定时事件的发生率；以及
当所述定时事件的发生率低于目标水平时减小工作电压，而当所述定时事件的发生率超过目标水平时增大工作电压，以便搜索阈值电压，所述阈值电压是所述工作电压的最小值，在所述阈值电压处，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平。
在根据本发明的方法中，表示使所述电子设备工作的时钟信号的脉冲率的时钟频率取决于工作电压的递增函数，以使得当工作电压高于阈值电压时，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平，而当工作电压低于阈值电压时，所述定时事件的发生率超过目标水平。
根据本发明，还提供了一种用于控制提供给电子设备的工作电压的新的计算机程序，所述电子设备设置有对与所述电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器。根据本发明的计算机程序包括计算机可读指令，其用于控制可编程的处理系统以执行以下操作：
确定定时事件的发生率；
当所述定时事件的发生率低于目标水平时减小工作电压，而当所述定时事件的发生率超过目标水平时增大工作电压，以便搜索阈值电压，所述阈值电压是所述工作电压的最小值，在所述阈值电压处，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平，以及
控制可控时钟信号发生器以产生用于使所述电子设备工作的时钟信号，时钟频率取决于所述工作电压的递增函数，以使得当工作电压高于所述阈值电压时，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平，而当工作电压低于所述阈值电压时，所述定时事件的发生率超过目标水平。
根据本发明，还提供了一种新的计算机程序产品。该计算机程序产品包括非易失性计算机可读介质，例如光盘“CD”，该非暂时性计算机可读介质采用根据本发明的计算机程序进行编码。
根据本发明，还提供了一种承载对根据本发明的实施例的计算机程序进行限定的信息的新信号。可以例如从通信网络(例如云服务)中接收该信号。
在所附从属权利要求中描述了本发明的多个示例性而非限制性的实施例。
本发明的多个示例性而非限制性的实施例对于结构和操作方法连同本发明的其他目的和优点将在结合附图读取具体的示例性实施例的如下描述中得到最好地理解。
在本文中，动词“包括”和“包含”用作既不排除也不要求未记载特征的存在的开放性限定。
除非另有明确说明，否则在所附从属权利要求中阐述的特征可以相互任一组合。此外，需要理解的是，本文通篇使用的“一个”或“一种”，即“单数形式”并不排除多个。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明的示例性而非限制性的实施例及其优点，在附图中：
图1示出了包括根据本发明的示例性而非限制性的实施例的用于控制电子系统的工作电压的控制系统的电子系统的功能框图；
图2示出了图1中所示的控制系统的操作；
图3示出了包括根据本发明的另一示例性而非限制性的实施例的用于控制电子系统的工作电压的控制系统的电子系统的功能框图；
图4示出了图3中所示的控制系统的操作；
图5示出了根据本发明的示例性而非限制性的实施例的用于控制电子设备的工作电压的方法的流程图，以及
图6示出了用于验证本发明的示例性而非限制性的实施例的可用性的一部分示例性测试系统的实现方式。
具体实施方式
以下描述中所提供的具体示例不应该被构造为限制所附权利要求的范围和/或应用。除非另外明确指出，否则以下描述中所提供的列表和示例组是非穷尽的。
图1示出了根据本发明的示例性而非限制性的实施例的电子系统的功能框图。该电子系统包括可以例如是数字处理器电路的电子设备103。电子设备103设置有对与电子设备的操作有关的定时事件(例如错误)作出响应的定时事件检测器。电子设备103产生定时事件信号107，该定时事件信包括对应于与所述电子设备的操作有关的定时事件的脉冲。例如，定时事件信号107中的每个脉冲可以例如但并非必须对应于电子设备103工作时的一个错误。除了定时事件检测器之外，电子设备103还可以包括对错误作出响应以修正该错误的错误修正和/或错误防止逻辑。可以例如从文献US20070288798中找到设置有上文提到的定时事件检测器和错误修正和/或错误防止逻辑的示例性电子设备。
该电子系统包括用于控制提供给电子设备103的工作电压VDD的控制系统100。控制系统100被配置成产生用于控制电压调节器108的电压控制信号104。电压调节器108被配置成将能量源109的电压转换成直流“DC”电压，该DC电压的值取决于电压控制信号104。电压调节器108可以例如是开关模式的DC-DC转换器或AC-DC转换器。能量源109可以例如是电池、燃料电池、提供交流电压的电网或能量收集源。
控制系统100包括用于产生使电子设备103工作的时钟信号106的可控时钟信号发生器102。控制系统100还包括用于确定与电子设备103的工作有关的定时事件(例如差错)的发生率的控制器101。定时事件的发生率可以例如借助于两个计数器来确定，以便这两个计数器中的一个对时钟信号106的脉冲进行计数，而另一个对定时事件信号107的脉冲进行计数。定时事件的发生率可以例如被定义为在合适的采样周期内所统计的定时事件信号107的脉冲数和时钟信号106的脉冲数之比。控制器101被配置成当定时事件的发生率低于预定的目标水平时减小工作电压VDD，而当定时事件的发生率超过目标水平时增大工作电压VDD，以便搜索阈值电压Vth，该阈值电压是工作电压的最小值，在该阈值电压处，定时事件的发生率基本上处于目标水平。目标水平可以例如是0.1％，即定时事件信号107的脉冲率比时钟信号106的脉冲率小1000倍。
可控时钟信号发生器102被配置成产生时钟信号106以使表示时钟信号106的脉冲率的时钟频率Fclk取决于工作电压VDD的递增函数，使得当工作电压VDD高于阈值电压Vth时，定时事件的发生率基本上处于目标水平，而当工作电压低于阈值电压时，定时事件的发生率超过目标水平。
图2示出了被检测到的定时事件是与电子设备103的操作有关的错误的示例性情况。因此，在图2中，所检测到的定时事件的发生率是错误率。在图2中，作为工作电压VDD的函数的错误率被描绘为曲线221，作为上述工作电压VDD的递增函数的时钟频率Fclk被描绘为曲线223。在曲线223上，当工作电压VDD足够大于阈值电压Vth时，时钟频率Fclk可以基本上取决于以下公式(1)：
其中，K是延时拟合参数，Cg是与电子设备的晶体管技术有关的特征反相器的输出电容，αv是介于1和2之间的速度饱和指数。曲线223可以例如采用VDD的适当多项式函数来近似。
如图2可见，当工作电压VDD在阈值电压Vth以上且时钟频率Fclk取决于曲线223时，采用曲线221描绘的错误率基本上处于目标水平。当工作电压VDD减小到阈值电压Vth以下且时钟频率Fclk取决于曲线223时，错误率快速增大。在图2中，曲线224示出了当工作电压VDD减小到阈值电压Vth以下时应该如何减小时钟频率Fclk以将错误率保持在目标水平。在曲线224上，当工作电压VDD小于或等于阈值电压Vth时，时钟频率Fclk可以基本上取决于以下公式(2)：
其中，IO是与电子设备的晶体管技术有关的特征反相器的导通(ON)电流，n是亚阈值摆系数，UT是热力学电压。关于上述方程的更详细信息可以从以下文献中找到，例如：Wang A.，Calhoun B.和Chandrakasan A，超低功耗系统的亚阈值设计(Sub-thresholdDesign for Ultra Low-Power Systems)，Springer，2005。
如图2可见，当工作电压VDD在阈值电压Vth以上时，曲线223和曲线224重合，而当工作电压VDD在阈值电压Vth以下时，曲线223和曲线224互相偏离。图2中所示的曲线222示出了电子设备103每次工作时的平均能耗。该操作可以例如是算术逻辑操作、写入寄存器或从寄存器读取。如曲线222所示，当工作电压VDD较高或者当工作电压VDD较低时，每次操作的能量较高。由于用于给电子设备103的内电容充电和放电的电流随着工作电压的增大而增长，所以高工作电压导致每次操作的高能耗，而低工作电压由于通过电子设备103的半导体开关的漏电流而导致每次工作的高能耗。
如图2可见，每次工作的最小能量位于阈值电压Vth附近。需要注意的是，结合许多类型的电子设备，例如CMOS电路，每次工作的最小能量位于阈值电压附近，在该阈值电压处，当工作电压减小到阈值电压以下且时钟频率取决于工作电压的下凸递增函数时，错误率开始快速增长。术语“下凸函数(downwards convex function)”指的是在所讨论的每个点处函数图处于该图的切线之上。因此，可以通过将工作电压VDD控制为阈值电压Vth或稍高于阈值电压Vth(例如高于阈值电压Vth的1％-10％)来优化电子设备103的能耗。
在根据本发明的示例性而非限制性的实施例的控制系统中，可控时钟信号发生器102被构造为具有电气组件，该电气组件被选择成产生时钟信号106以使得当工作电压VDD改变时，时钟频率Fclk以所期望的方式起作用，即时钟频率Fclk取决于工作电压VDD的期望递增函数。可控时钟信号发生器102可以例如包括压控振荡器“VCO”，其根据工作电压VDD的期望递增函数对工作电压VDD作出响应。
然而，在一些情况中，需要调整可控时钟信号发生器102来产生时钟信号106，以使得当工作电压VDD改变时，时钟频率Fclk以所期望的方式起作用。在根据本发明的示例性而非限制性的实施例的控制系统中，控制器101被配置成在搜索阈值电压Vth之前，将工作电压VDD设置成具有大于阈值电压Vth的初始值V_ini，以及控制可控时钟信号发生器102以当定时事件(例如错误)的发生率低于目标水平时增大时钟频率Fclk，而当定时事件的发生率超过目标水平时减小时钟频率Fclk，以便搜索时钟频率Fclk的初始值F_ini，该初始值F_ini与工作电压VDD的初始值V_ini对应。控制器101被配置成基于初始值V_ini和F_ini，调整可控时钟信号发生器102以所需方式进行操作，即根据曲线223所示的递增函数进行操作。在图1中，对可控时钟信号发生器102的调整被描绘为虚线箭头110。该调整可以例如是设置VCO的输入偏置电压，以使得当VDD＝V_ini时，Fclk＝F_ini。
图3示出了根据本发明的示例性而非限制性的实施例的电子系统的功能框图。该电子系统包括电子设备303，其设置有对与该电子设备的操作有关的定时事件(例如错误)作出响应的定时事件检测器。电子设备303产生定时事件信号307，该定时事件信号包括对应于与该电子设备的操作有关的定时事件的脉冲。除了定时事件检测器之外，电子设备303还可以包括对错误作出响应以对与该电子设备的操作有关的错误进行修正的错误修正和/错误防止逻辑。该电子系统包括用于控制提供给电子设备303的工作电压VDD的控制系统300。控制系统300被配置成产生用于控制电压调节器308的电压控制信号304。
控制系统300包括用于产生时钟信号306以使电子设备303工作的可控时钟信号发生器302。控制系统300还包括控制器301，该控制器用于确定与电子设备303的操作有关的定时事件(例如错误)的发生率。控制器301被配置成当定时事件的发生率在目标水平以下时减小工作电压VDD，而当该定时事件的发生率超过目标水平时增大工作电压VDD，以便搜索阈值电压Vth，该阈值电压是所述工作电压VDD的最小值，在所述阈值电压处，定时事件的发生率基本上处于目标水平。
控制器301被配置成产生用于控制时钟信号发生器302的频率控制信号305。时钟信号发生器302被控制成产生时钟信号306以使时钟频率Fclk取决于工作电压VDD的递增函数，使得当工作电压高于阈值电压Vth时，定时事件的发生率基本上处于目标水平，而当工作电压低于阈值电压时，定时事件的发生率超过目标水平。
图4示出了被检测到的定时事件是与电子设备303的操作有关的错误的示例性情况。因此，在图4中，所检测到的定时事件的发生率是错误率。在图4中，作为工作电压VDD的函数的错误率被描绘为曲线421，并且时钟频率Fclk被描绘为曲线423。在曲线423上，当工作电压VDD足够大于阈值电压Vth时，时钟频率Fclk可以基本上取决于上文提出的公式(1)。曲线423可以例如采用VDD的适当的多项式函数来近似。
如图4可见，当工作电压VDD在阈值电压Vth以上且时钟频率Fclk取决于曲线423时，采用曲线421描绘的错误率基本上处于目标水平。当工作电压VDD减小到阈值电压Vth以下且时钟频率Fclk取决于曲线423时，错误率快速增大。在图4中，曲线424示出了当工作电压VDD减小到阈值电压Vth以下时应该如何减小时钟频率Fclk以将错误率保持在目标水平。在曲线424上，当工作电压VDD不大于阈值电压Vth时，时钟频率Fclk可以基本上取决于上文提出的公式(2)。图4中所示的曲线422示出了电子设备303每次工作时的平均能耗。如图4所示，可以通过将工作电压VDD控制到阈值电压Vth或稍高于阈值电压Vth(例如高于阈值电压的1％-10％)来优化电子设备303的能耗。
在图3所示的示例性控制系统300中，控制器301被配置成在搜索阈值电压Vth之前，将工作电压VDD设置为依次具有大于阈值电压Vth的拟合电压值V_ft1、V_ft2和V_ft3中的每一个。控制器301被配置成当工作电压具有所述拟合电压值中的每一个时，在定时事件的发生率低于目标水平的情况下控制可控时钟信号发生器302来增大时钟频率，而在该定时事件的发生率超过目标水平的情况下控制可控时钟信号发生器来减小时钟频率，以搜索如图4所示与所述拟合电压值V_ft1、V_ft2和V_ft3对应的拟合频率值F_ft1、F_ft2和F_ft3。控制器301被配置成基于拟合电压值和拟合频率值，确定与对时钟频率的控制有关的一个或多个设置参数以将时钟频率设置为取决于工作电压VDD的递增函数，从而使得错误率取决于曲线421。控制器301可以例如包括数字信号处理器“DSP”，其被配置成借助于上述设置参数来控制时钟信号发生器302，以使得当工作电压VDD改变时，时钟频率以所期望的方式改变。
图5示出了根据本发明的示例性而非限制性的实施例的用于控制提供给电子设备的工作电压VDD的方法的流程图，该电子设备设置有对与电子设备的操作有关的定时事件进行响应的定时事件检测器。该方法包括：
步骤501：确定定时事件的发生率；以及
步骤502和503：当定时事件的发生率在目标水平以下时减小工作电压VDD，而当定时事件的发生率超过目标水平时增大该工作电压，以便搜索阈值电压Vth，该阈值电压是所述工作电压的最小值，在该阈值电压处，定时事件的发生率基本上处于目标水平。
在图5所示的方法中，表示使电子设备工作的时钟信号的脉冲率的时钟频率Fclk取决于工作电压的递增函数F(VDD)，以使得当工作电压在阈值电压以上时，定时事件的发生率基本上处于目标水平，而当工作电压在所述阈值电压以下时，定时事件的发生率超过目标水平。
在根据本发明的示例性而非限制性的实施例的方法中，时钟信号由可控时钟信号发生器产生，所述可控时钟信号发生器包括根据工作电压的递增函数对该工作电压作出响应的压控振荡器。
根据本发明的示例性而非限制性的实施例的方法包括产生电压控制信号和频率控制信号，该电压控制信号用于控制电压调节器以产生工作电压，该频率控制信号用于控制可控时钟信号发生器以根据所述工作电压的递增函数产生时钟频率。
根据本发明的示例性而非限制性的实施例的方法包括：
在搜索阈值电压之前，将所述工作电压设置为具有大于所述阈值电压的初始值；
当定时事件的发生率在目标水平以下时增大时钟频率，而当定时事件的发生率超过目标水平时减小时钟频率，以搜索该时钟频率的与工作电压的初始值对应的初始值；以及
基于所述工作电压的初始值和所述时钟频率的初始值，调整可控时钟信号发生器以根据所述工作电压的递增函数进行操作。
根据本发明的示例性而非限制性的实施例的方法包括：
在搜索所述阈值电压之前，将所述工作电压设置为依次具有拟合电压值中的每一个，各拟合电压值大于所述阈值电压；
当工作电压具有所述拟合电压值中的每一个时，在定时事件的发生率在目标水平以下时增大时钟频率，而在定时事件的发生率超过目标水平时减小时钟频率，以搜索与所述拟合电压值对应的拟合频率值；以及
基于拟合电压值和拟合频率值，确定与控制时钟频率有关的一个或多个设置参数以根据工作电压的递增函数来设置时钟频率。
在根据本发明的示例性而非限制性的实施例的方法中，工作电压的递增函数是该工作电压的下凸递增函数。例如，当工作电压VDD足够大于阈值电压Vth时，该工作电压的递增函数可以基本上取决于以下公式：
其中，Fclk是时钟频率，K是延时拟合参数，Cg是与电子设备的晶体管技术有关的特征反相器的输出电容，Vth是阈值电压，αv是介于1和2之间的速度饱和指数。
在根据本发明的示例性而非限制性的实施例的方法中，确定定时事件的发生率包括：
接收定时事件信号，该定时事件信号包括对应于与所述电子设备的操作有关的定时事件的脉冲，
接收所述时钟信号，以及
基于在采样周期内出现的定时事件信号的脉冲量以及在同一采样周期内出现的时钟信号的脉冲的量来计算所述定时事件的发生率。
根据本发明的示例性而非限制性的实施例的计算机程序包括计算机可执行指令，该计算机可执行指令用于控制可编程处理系统以执行与根据本发明的上述示例性实施例中任一个所述的方法有关的操作。
根据本发明的示例性而非限制性的实施例的计算机程序包括用于控制提供给电子设备的工作电压的软件模块，该电子设备设置有对与电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器该。软件模块包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制可编程的处理系统来执行以下操作：
确定定时事件的发生率；
当定时事件的发生率在目标水平以下时减小工作电压，而当定时事件的发生率超过目标水平时增大工作电压，以便搜索阈值电压，该阈值电压是所述工作电压的最小值，在所述阈值电压处，定时事件的发生率基本上处于目标水平，以及
控制可控时钟信号发生器以产生用于使所述电子设备工作的时钟信号，以使表示时钟信号的脉冲率的时钟频率取决于工作电压的递增函数，使得当该工作电压在阈值电压以上时，定时事件的发生率基本上处于目标水平，而当该工作电压在所述阈值电压以下时，定时事件的发生率超过目标水平。
上述软件模块可以例如是采用合适的编程语言和适用于编程语言的编译器以及所讨论的可编程处理系统实施的子例程或函数。值得注意的是，与合适的编程语言对应的源代码也表示计算机可执行软件模块，这是由于源代码包含控制可编程处理系统执行上述操作所需的信息，并且编译仅改变信息的格式。此外，可编程处理系统还能够设置有解释器，以使得在运行之前不需要对采用合适的编程语言实现的源代码进行编译。
根据本发明的示例性而非限制性的实施例的计算机程序产品包括计算机可读介质，例如光盘“CD”，该计算机可读介质采用根据本发明的实施例的计算机程序进行编码。
根据本发明的示例性而非限制性的实施例的信号被编码以承载对根据本发明的实施例的计算机程序进行限定的信息。
示例性情况：
采用与图1中所示的电子系统类似的测试系统来证实上述用于控制工作电压的方法。在该测试系统中，电子设备103是基于CMOS技术的32位微处理器且设置有定时事件检测器。图6中示出了测试系统的控制器101的实现方式，其中，“clk sgn”是时钟信号106，“errsgn”是定时事件信号107。工作电压VDD及对应的时钟频率Fclk被减小以使该时钟频率随工作电压的函数大致被二次方地减小，直到观察到定时事件(如错误)的发生率增大。定时事件的发生率增大的点近似是阈值电压Vth，在略高于该阈值电压处能耗得到优化，
进行了两次测试。在这些测试中，被检测到的定时事件是与电子设备的操作有关的差错。在第一次测试中，体偏置“BB”电压比第二次测试中的体偏置电压低。如下在表1中示出了第一次测试的测量结果。
表1
| F<sub>ckl</sub>/MHz | VDD/伏特 | 采样周期内的错误数 |
| 25.0 | 0.40 | 0 |
| 21.6 | 0.39 | 0 |
| 18.7 | 0.38 | 0 |
| 16.1 | 0.37 | 0 |
| 13.8 | 0.36 | 0 |
| 11.9 | 0.35 | 1000 |
| 10.2 | 0.34 | >1000 |
在第一次测试中，阈值电压Vth近似为0.35伏。
如下在表2中示出了第二次测试的测量结果。
表2
| F<sub>ckl</sub>/MHz | VDD/伏特 | 采样周期内的错误数 |
| 11.3 | 0.40 | 0 |
| 9.85 | 0.39 | 0 |
| 8.51 | 0.38 | 1 |
| 7.34 | 0.37 | 计数器溢出 |
在第二次测试中，阈值电压Vth近似为0.38伏。
上文给出的描述中所提供的具体示例不应该被构造为限制所附权利要求的范围和/或应用。除非另外明确指出，否则上文给出的描述中所提供的列表和示例组是非穷尽的。
Claims (19)
1.一种控制系统(100，300)，用于控制提供给电子设备的工作电压，所述电子设备设置有对与所述电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器，所述控制系统包括：
控制器(101，301)，用于确定所述定时事件的发生率，当所述定时事件的发生率低于目标水平时减小所述工作电压，当所述定时事件的发生率高于目标水平时增大所述工作电压，以搜索阈值电压，所述阈值电压是所述工作电压的最小值，在所述阈值电压处，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平，以及
可控时钟信号发生器(102，302)，用于产生用于使所述电子设备工作的时钟信号；
其特征在于，表示所述时钟信号的脉冲率的时钟频率取决于所述工作电压的递增函数，当所述工作电压高于所述阈值电压且所述时钟频率取决于所述工作电压的递增函数时，所述定时事件的发生率基本处于目标水平，而当所述工作电压低于所述阈值电压且所述时钟频率取决于所述工作电压的递增函数时，所述定时事件的发生率高于目标水平。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述可控时钟信号发生器(102)包括压控振荡器，所述压控振荡器根据所述工作电压的递增函数对所述工作电压作出响应。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述控制器(301)被配置成产生电压控制信号(304)和频率控制信号(305)，所述电压控制信号用于控制电压调节器以产生所述工作电压，所述频率控制信号用于控制所述可控时钟信号发生器(302)以根据所述工作电压的递增函数产生所述时钟频率。
4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述控制器被配置成：
在搜索所述阈值电压之前，将所述工作电压设置为具有大于所述阈值电压的初始值；
当所述定时事件的发生率低于目标水平时，控制所述可控时钟信号发生器来增大所述时钟频率，而当所述定时事件的发生率高于目标水平时减小所述时钟频率，以搜索所述时钟频率的与所述工作电压的初始值对应的初始值；以及
基于所述工作电压的初始值和所述时钟频率的初始值，调整所述可控时钟信号发生器以根据所述工作电压的递增函数进行操作。
5.根据权利要求1或3所述的控制系统，其中，所述控制器被配置成：
在搜索所述阈值电压之前，将所述工作电压设置为依次具有拟合电压值中的每一个，各拟合电压值大于所述阈值电压；
当所述工作电压具有所述拟合电压值中的每一个时，在所述定时事件的发生率低于目标水平时控制所述可控时钟信号发生器来增大所述时钟频率，而在所述定时事件的发生率高于目标水平时控制所述可控时钟信号发生器来减小所述时钟频率，以搜索与所述拟合电压值对应的拟合频率值；以及
基于所述拟合电压值和所述拟合频率值，确定与控制所述时钟频率有关的一个或多个设置参数以根据所述工作电压的递增函数来设置所述时钟频率。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中，所述工作电压的递增函数是所述工作电压的下凸递增函数。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中，所述工作电压的递增函数基本上取决于以下公式：
当VDD>Vth时，
其中，Fclk是时钟频率，K是延时拟合参数，Cg是与所述电子设备的晶体管技术有关的特征反相器的输出电容，Vth是阈值电压，αv是介于1和2之间的速度饱和指数。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中，所述控制器被配置成：
接收定时事件信号，所述定时事件信号包括对应于与所述电子设备的操作有关的定时事件的脉冲；
接收所述时钟信号，以及
基于在采样周期内发生的所述定时事件信号的脉冲量以及在同一采样周期内发生的所述时钟信号的脉冲量来计算所述定时事件的发生率。
9.一种电子系统，包括
电子设备(103，303)，其设置有对与所述电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器，以及
根据权利要求1至8中任一项所述的控制系统(100，300)，其用于控制提供给所述电子设备的工作电压。
10.根据权利要求9所述的电子系统，其中，所述电子设备包括对错误作出响应以对与所述电子设备的操作有关的错误进行修正的错误修正和/或错误防止逻辑。
11.一种用于控制提供给电子设备的工作电压的方法，所述电子设备设置有对与所述电子设备的操作有关的定时事件作出响应的定时事件检测器，所述方法包括：
确定(401)所述定时事件的发生率；以及
当所述定时事件的发生率低于目标水平时减小(402)所述工作电压，并当所述定时事件的发生率高于目标水平时增大(403)所述工作电压，以搜索阈值电压，所述阈值电压是所述工作电压的最小值，在所述阈值电压处，所述定时事件的发生率基本上处于目标水平，
其特征在于，表示使所述电子设备工作的时钟信号的脉冲率的时钟频率取决于所述工作电压的递增函数，当所述工作电压高于所述阈值电压且所述时钟频率取决于所述工作电压的递增函数时，所述定时事件的发生率基本处于目标水平，而当所述工作电压低于所述阈值电压且所述时钟频率取决于所述工作电压的递增函数时，所述定时事件的发生率高于目标水平。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述时钟信号由可控时钟信号发生器产生，所述可控时钟信号发生器包括根据所述工作电压的递增函数对所述工作电压作出响应的压控振荡器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法包括产生电压控制信号和频率控制信号，所述电压控制信号用于控制电压调节器以产生所述工作电压，所述频率控制信号用于控制可控时钟信号发生器以根据所述工作电压的递增函数产生所述时钟频率。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述方法包括：
在搜索所述阈值电压之前，将所述工作电压设置为具有大于所述阈值电压的初始值；
当所述定时事件的发生率低于目标水平时增大所述时钟频率，而当所述定时事件的发生率高于目标水平时减小所述时钟频率，以搜索所述时钟频率的与所述工作电压的初始值对应的初始值；以及
基于所述工作电压的初始值和所述时钟频率的初始值，调整可控时钟信号发生器以根据所述工作电压的递增函数进行操作。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括：
在搜索所述阈值电压之前，将所述工作电压设置为依次具有拟合电压值中的每一个，各拟合电压值大于所述阈值电压；
当所述工作电压具有所述拟合电压值中的每一个时，在所述定时事件的发生率低于目标水平时增大所述时钟频率，而在所述定时事件的发生率高于目标水平时减小所述时钟频率，以搜索与所述拟合电压值对应的拟合频率值；以及
基于所述拟合电压值和所述拟合频率值，确定与控制所述时钟频率有关的一个或多个设置参数以根据所述工作电压的递增函数来设置所述时钟频率。
16.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述工作电压的递增函数是所述工作电压的下凸递增函数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述工作电压的递增函数基本上取决于以下公式：
当VDD>Vth时，
其中，Fclk是时钟频率，K是延时拟合参数，Cg是与所述电子设备的晶体管技术有关的特征反相器的输出电容，Vth是阈值电压，αv是介于1和2之间的速度饱和指数。
18.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，确定所述定时事件的发生率包括：
接收定时事件信号，所述定时事件信号包括对应于与所述电子设备的操作有关的定时事件的脉冲；
接收所述时钟信号，以及
基于在采样周期内发生的定时事件信号的脉冲量以及在同一采样周期内发生的所述时钟信号的脉冲量来计算所述定时事件的发生率。
19.一种非易失性计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制可编程的处理系统来执行根据权利要求11至18中任一项所述的方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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