CN110703898A - 基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计算机体系结构与处理器微结构技术领域，具体为基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统及方法。一种基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，包括温度电压传感器，用于获取微处理器实时工作电压与温度；电源管理模块，用于获取微处理器实时电流数据；CPU内核，用于获取微处理器实时负载信息；动态调频电路，用于动态调节微处理器工作频率；智能微控制器，用于通过温度电压传感器、电源管理模块、CPU内核、动态调频电路对微处理器功耗进行动态管理与控制。本申请以较低的硬件开销支持基于周期性查询方式实时获得芯片负载与功耗信息，硬件采用中断方式根据PDM策略自动动态调节芯片工作频率，提高了微处理器能效比。

Description

基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统及方法
技术领域
本发明涉及计算机体系结构与处理器微结构技术领域，具体为基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统及方法。
背景技术
随着半导体工艺的飞速发展，微处理器芯片集成规模与工作频率不断提高，导致芯片功耗急剧增长，对芯片的散热、能耗与可靠性等带来巨大挑战，因此，功耗和能效成为集成电路设计的重要考虑因素。为提升竞争力，芯片设计逐步从高性能向高能效转变，而微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对整个系统的功耗管理与控制具有重要的意义。微处理器功耗主要体现在动态功耗(Dynamic Power)上，而动态功耗与电压平方和频率成正比，通过降低电压与频率可以有效降低芯片整体功耗。功耗动态管理(PowerDynamic Management, PDM)是一种系统级低功耗设计方法，由片内功耗管理控制器根据系统当前状态动态调整功耗管理模式，不同模式下，动态调节空闲模块的时钟与电压，以在保证系统性能基础上动态降低功耗，提高系统能效比。
功耗动态管理PDM一种可行的方法是动态电压调节（Dynamic Voltage Scaling,DVS），该技术根据芯片工作状态（一般为软件获得当前系统运行负载信息），动态改变功耗管理模式，在不损失芯片性能基础上通过动态调整电压降低功耗。为精确控制DVS，需要集成专用电压调度模块，通过分析当前和过去状态下系统不同工作情况来预测电路工作负载信息，或者通过软件获取系统负载信息。
另一种可行的方法是动态调频（Dynamic Frequency Scaling, DFS），该技术根据系统性能要求，动态配置合适的时钟频率，以降低空闲模块或者其他一些不必要的功耗，这需要片内集成备份时钟产生模块PLL(Phase-Locked Loop)，以在不中断系统正常工作的同时动态调节芯片工作频率。比如Intel公司的Montecito处理器，就利用了DFS技术，片内集成高精度数字电流表，利用封装上的微小电压降计算总电流，通过内嵌的32位微处理器调整主频，达到64级动态功耗调整的目的。
上述传统DVS与DFS技术均需要通过集成观测器或者通过软件系统获取实时负载信息，结合片内PDM管理策略完成动态功耗管理与控制，其缺点是观测器一般为模拟电路，集成复杂度增加，比如电压调度模块与数字电流表；另一个问题是精度不够高，通过电压或电流预测系统负载信息，不够准确；如果采用软件系统获得负载信息，会增加外部与系统接口之间的复杂度，导致实时性与自治性降低等问题。
综上所述，常规方法难以比较精确获得实时芯片的实时负载信息，集成和实现复杂度相对较高，功耗动态管理实时性与准确性有待进一步改进。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，包括
温度电压传感器，用于获取微处理器实时工作电压与温度；
电源管理模块，用于获取微处理器实时电流数据；
CPU内核，用于获取微处理器实时负载信息；
动态调频电路，用于动态调节微处理器工作频率；
智能微控制器，用于通过温度电压传感器、电源管理模块、CPU内核、动态调频电路对微处理器功耗进行动态管理与控制。
作为优选，所述CPU内核包括
性能计数器，用于表征CPU内核当前性能；
预设权值寄存器，用于预先设置性能计算权值。
作为优选，所述负载信息由以下公式计算获得，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（1）
作为优选，所述动态调频电路包括多级动态升频电路和多级动态降频电路。
作为优选，还包括查找表，用于对功耗与负载信息进行匹配对照。
作为优选，所述查找表根据微处理器实际运行情况进行调整。
作为优选，所述智能微控制器设有过功耗报警单元。
作为优选，所述智能微控制器设有过温度报警单元。
一种基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理方法，包括以下步骤，
1）智能微控制器周期性查询CPU内核、温度电压传感器与电源管理模块获得实时负载与功耗信息；
2）通过查找表判断功耗与负载是否匹配，如果匹配回到步骤1），否则跳至步骤3）；
3）判断功耗与负载信息关系，如果功耗过高跳至步骤4），如果功耗过低跳至步骤6）；
4）功耗过高时产生降频中断信号，发送给动态调频电路触发中断，跳至步骤5）；
5）接收到降频中断后，动态调频电路开始对微处理器进行多级动态降频，降频完成后回到步骤1）；
6）功耗过高时产生升频中断信号，发送给动态调频电路触发中断，跳至步骤7）；
7）接收到升频中断后，动态调频电路开始对微处理器进行多级动态升频，升频完成后回到步骤1）。
作为优选，步骤1）还包括，当智能微控制器获得的实时功耗和温度值超过报警阈值时，产生报警中断与降频中断。
本发明的有益效果是，本申请以较低的硬件开销支持基于周期性查询方式实时获得芯片负载与功耗信息，硬件采用中断方式根据PDM策略自动动态调节芯片工作频率，支持多级升降频以动态管理和控制芯片功耗，提高了微处理器能效比。
附图说明
图1为本申请功耗动态管理结构示意图；
图2为本申请功耗动态管理流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，包括
温度电压传感器（简称PVT Sensor)，用于获取微处理器实时工作电压与温度。
电源管理模块，用于获取微处理器实时电流数据。
CPU内核，用于获取微处理器实时负载信息。CPU内核包括性能计数器，用于表征CPU内核当前性能；预设权值寄存器，用于预先设置性能计算权值。
动态调频电路，用于动态调节微处理器工作频率。动态调频电路包括多级动态升频电路和多级动态降频电路。
智能微控制器(简称IMC)，用于通过温度电压传感器、电源管理模块、CPU内核、动态调频电路对微处理器功耗进行动态管理与控制。智能微控制器还设有过功耗报警单元和过温度报警单元。
查找表，用于对功耗与负载信息进行匹配对照。
首先，芯片（即微处理器）内集成微小核心：智能微控制器(IMC)，为微处理器功耗动态管理核心，用于对微处理器功耗进行动态管理与控制。IMC基于周期性查询从CPU内核获得实时负载信息，从片上集成的温度电压传感器(PVT Sensor)获得芯片实时工作电压与温度，通过专用引脚从板级电源管理模块获得实时电流数据，进而得到芯片的实时功耗，通过预设的功耗管理策略与控制流程对芯片功耗进行动态管理与控制。查询的周期可根据芯片实际运行情况进行调整变化，以尽可能实时和准确地反映芯片功耗与负载信息。
芯片CPU内核设计实现包括性能计数器与预设权值寄存器，性能计数器是CPU内核中与性能正相关的多类计数寄存器，用于表征CPU内核当前性能或负载信息，比如单位时间内该模块参与运算的次数等等。而预设权值为预先设置的性能计算权值，用于计算不同性能计数器表征的CPU内核实时负载信息，可以根据芯片实际运行情况进行实时更新。一般情况下，芯片负载信息可用以下表达式求解得到：
负载信息=∑性能计数器*预设权值。
其次，在芯片内集成温度电压传感器(PVT Sensor)，用于实时监测芯片的温度与电压，并将实时温度与电压数据传输给智能微控制器IMC。同时，IMC通过专用引脚，比如I2C总线(Inter-Integrated Circuit)或者自定义串口等，周期性查询PCB板级电源管理模块获得实时芯片电流信息，与PVT获得的电压信息计算得到芯片实时功耗信息（功耗=电压*电流）。
此外，芯片内集成动态调频电路，用于动态调节芯片工作频率，即在不影响芯片正常工作以及避免芯片功耗出现大幅波动的同时，动态改变芯片工作频率（包括自动多级升频和降频），使得芯片实时功耗与实时负载信息匹配。其中，多级升降频根据实际芯片运行频率与功耗关系建立和更新对应查找表，在发现功耗与负载信息不匹配时，IMC预测需要动态调频的级数，并以中断方式通知动态调频电路，且调频级数与步频（即一次升频或降频的频率变化幅度）片内可配。
功耗与负载信息是否匹配一般通过查表实现，而查找表可以预先设定初值，并根据芯片实际运行情况进行调整，一般功耗与负载信息并非一一对应，而是范围对应，即同一功耗对应一个负载区间，同样的，同一负载信息也可以对应一个功耗区间，因此，当负载信息落在当前功耗对应的负载匹配区间内时，表示当前负载与功耗信息匹配，否则称之为功耗与负载信息不匹配。
如图2所示，一种基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理方法（简称PDM策略），包括以下步骤，
1）智能微控制器周期性查询CPU内核、温度电压传感器与电源管理模块获得实时负载与功耗信息。
2）通过查找表判断功耗与负载是否匹配，如果匹配回到步骤1），否则跳至步骤3）。
3）判断功耗与负载信息关系，如果功耗过高跳至步骤4），如果功耗过低跳至步骤6）。
4）功耗过高时产生降频中断信号，发送给动态调频电路触发中断，跳至步骤5）。
5）接收到降频中断后，动态调频电路开始对微处理器进行多级动态降频，降频完成后回到步骤1）。
6）功耗过高时产生升频中断信号，发送给动态调频电路触发中断，跳至步骤7）。
7）接收到升频中断后，动态调频电路开始对微处理器进行多级动态升频，升频完成后回到步骤1）。
智能微控制器IMC内可以设置有功耗与温度报警阈值，当IMC周期性查询获得的实时功耗和温度值超过报警阈值，则产生报警中断与降频中断，对芯片进行保护处理，避免芯片过热或功耗过大产生损坏。
本申请以较低的硬件开销支持基于周期性查询方式实时获得芯片负载与功耗信息，硬件采用中断方式根据PDM策略自动动态调节芯片工作频率，支持多级升降频以动态管理和控制芯片功耗，提高了微处理器能效比。
上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：包括
温度电压传感器，用于获取微处理器实时工作电压与温度；
电源管理模块，用于获取微处理器实时电流数据；
CPU内核，用于获取微处理器实时负载信息；
动态调频电路，用于动态调节微处理器工作频率；
智能微控制器，用于通过温度电压传感器、电源管理模块、CPU内核、动态调频电路对微处理器功耗进行动态管理与控制。
2.根据权利要求1所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：所述CPU内核包括
性能计数器，用于表征CPU内核当前性能；
预设权值寄存器，用于预先设置性能计算权值。
3.根据权利要求2所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：所述负载信息由以下公式计算获得，
（1）。
4.根据权利要求1所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：所述动态调频电路包括多级动态升频电路和多级动态降频电路。
5.根据权利要求1所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：还包括查找表，用于对功耗与负载信息进行匹配对照。
6.根据权利要求5所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：所述查找表根据微处理器实际运行情况进行调整。
7.根据权利要求1所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：所述智能微控制器设有过功耗报警单元。
8.根据权利要求1所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理系统，其特征在于：所述智能微控制器设有过温度报警单元。
9.基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）智能微控制器周期性查询CPU内核、温度电压传感器与电源管理模块获得实时负载与功耗信息；
2）通过查找表判断功耗与负载是否匹配，如果匹配回到步骤1），否则跳至步骤3）；
3）判断功耗与负载信息关系，如果功耗过高跳至步骤4），如果功耗过低跳至步骤6）；
4）功耗过高时产生降频中断信号，发送给动态调频电路触发中断，跳至步骤5）；
5）接收到降频中断后，动态调频电路开始对微处理器进行多级动态降频，降频完成后回到步骤1）；
6）功耗过高时产生升频中断信号，发送给动态调频电路触发中断，跳至步骤7）；
7）接收到升频中断后，动态调频电路开始对微处理器进行多级动态升频，升频完成后回到步骤1）。
10.根据权利要求9所述的基于周期性查询和中断的处理器功耗动态管理方法，其特征在于：步骤1）还包括，当智能微控制器获得的实时功耗和温度值超过报警阈值时，产生报警中断与降频中断。
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