CN112130658A - 程控智能电源与时钟控制方法及系统 - Google Patents

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CN112130658A CN202011053685.8A CN202011053685A CN112130658A CN 112130658 A CN112130658 A CN 112130658A CN 202011053685 A CN202011053685 A CN 202011053685A CN 112130658 A CN112130658 A CN 112130658A
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Abstract

本发明提供了一种程控智能电源与时钟控制方法及系统，包括：步骤S1：将时钟模组和电源模组的输出反馈给CPU；所述时钟模组包括：一个或者多个时钟驱动器和晶体振荡器；所述电源模组包括：多个电源芯片；步骤S2：使CPU工作于超频状态；步骤S3：当温度和功耗高于报警阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU退出超频至正常工作状态；步骤S4：当温度和功耗低于安全阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU重新进入超频工作状态；步骤S5：获取程控智能电源与时钟控制结果信息。本发明在不修改硬件电路的情况下实现芯片的超频、降频功能，进而对芯片的功耗进行管理。

Description

程控智能电源与时钟控制方法及系统
技术领域
本发明涉及自主可控计算平台技术领域，具体地，涉及一种程控智能电源与时钟控制方法及系统，尤其涉及一种高精度程控智能电源与时钟控制方法及系统。
背景技术
近年来，空、海、装甲等各军兵种装备朝自动化、信息化、智能化的方向发展，推动各军兵装备的更新换代。各类自主研发的国产高端芯片逐渐部署于武器装备中。高端芯片具备更高的计算性能，但此类芯片常常受限于装备的功耗和散热问题。这就带来了一个产品设计的问题：装备的硬件电路如何实现既可以选用高性能大功耗芯片，又避免电路功耗过大导致装备温度异常的问题。
传统的解决方式常常通过选用较低功耗的芯片进行设计，但装备的整体计算性能因此受限。另外，实际使用中芯片并非一只满负荷工作，因此电路功耗实际并未达到限值。而通过在电路内部加入电源管理功能，通过程序动态控制芯片的实际功耗，保障了有限功耗下计算性能最优。但这种方式往往需要加入电源管理芯片，一方面增加了装备成本，另一方面使得电路板内芯片布局更加密集，增大了设计难度。为避免这类问题，本发明利用芯片自身的超频和降频功能，在不增大电路板设计难度的情况下实现芯片的动态功耗管理。
专利文献CN109521867A公开了一种低功耗的芯片系统及其控制方法。系统包括电源管理模块、零功耗模式控制模块、零功耗模式数据缓存单元、正常工作数据存储单元、时钟产生模块和IO PAD模块。首先，当零功耗模式控制模块检测到外部的零功耗模式使能信号PDEN有效时进入零功耗模式；其次，将所有正常工作数据存储单元上的数据转移到零功耗模式数据缓存单元进行缓存；接着，停止运行时钟产生模块；然后设置所有双向PAD为单向的INPUT或者OUTPUT，并设置所有OUTPUT PAD为固定电平，设置所有三态信号线为上拉或下拉使能；最后，电源管理模块关闭所有电源信号的输出。该专利在结构和性能上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种程控智能电源与时钟控制方法及系统。
根据本发明提供的一种程控智能电源与时钟控制方法，包括：
步骤S1：搭建时钟和电源供给及反馈的硬件平台：将时钟模组和电源模组的输出反馈给CPU；
所述时钟模组包括：一个或者多个时钟驱动器和晶体振荡器，用于生成CPU正常工作的时钟；
所述电源模组包括：多个电源芯片；
步骤S2：通过MCU控制时钟模组和电源模组的输出，使CPU工作于超频状态；
步骤S3：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗高于报警阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU退出超频至正常工作状态；
步骤S4：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗低于安全阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU重新进入超频工作状态；
步骤S5：获取程控智能电源与时钟控制结果信息。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：外部电源为电源模组内的电源芯片提供外部能量，多个电源芯片输出设定电压，多个电源芯片将外部供电的电压转换成CPU和其余芯片所需的电压，保证各芯片供电电流满足实际功耗需要。
步骤S1.2：时钟模组内的晶体振荡器为时钟驱动器提供参考时钟源，时钟驱动芯片输出满足CPU正常工作所需的时钟信号；
步骤S1.3：使用MCU监控时钟模组和电源模组的输出值。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：所述MCU配置时钟驱动器输出更高频率的时钟信号，满足CPU超频时的时钟频率需要；
同时MCU监控时钟驱动器输出的时钟信号，确保其工作稳定；
步骤S2.2：所述MCU通过数字电位器控制电源模组内各个电源芯片的配置电阻，修改电源模组输出的电源以匹配超频时的电压变化。
优选地，步骤S3包括：
步骤S3.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
步骤S3.2：当电路板内温度低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于超频工作状态；
步骤S3.3：当电路板内温度高于报警阈值时，并且电路板功耗高于正常数值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU退出超频，进入正常状态。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗。
步骤S4.2：当电路板内温度高于安全阈值/低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于正常工作状态，通过散热电路板的温度会持续降低。
步骤S4.3：当电路板内温度低于安全阈值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU进入超频。
根据本发明提供的一种程控智能电源与时钟控制系统，包括：
模块M1：搭建时钟和电源供给及反馈的硬件平台：将时钟模组和电源模组的输出反馈给CPU；
所述时钟模组包括：一个或者多个时钟驱动器和晶体振荡器，用于生成CPU正常工作的时钟；
所述电源模组包括：多个电源芯片；
模块M2：通过MCU控制时钟模组和电源模组的输出，使CPU工作于超频状态；
模块M3：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗高于报警阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU退出超频至正常工作状态；
模块M4：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗低于安全阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU重新进入超频工作状态；
模块M5：获取程控智能电源与时钟控制结果信息。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：外部电源为电源模组内的电源芯片提供外部能量，多个电源芯片输出设定电压，多个电源芯片将外部供电的电压转换成CPU和其余芯片所需的电压，保证各芯片供电电流满足实际功耗需要。
模块M1.2：时钟模组内的晶体振荡器为时钟驱动器提供参考时钟源，时钟驱动芯片输出满足CPU正常工作所需的时钟信号；
模块M1.3：使用MCU监控时钟模组和电源模组的输出值。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：所述MCU配置时钟驱动器输出更高频率的时钟信号，满足CPU超频时的时钟频率需要；
同时MCU监控时钟驱动器输出的时钟信号，确保其工作稳定；
模块M2.2：所述MCU通过数字电位器控制电源模组内各个电源芯片的配置电阻，修改电源模组输出的电源以匹配超频时的电压变化。
优选地，模块M3包括：
模块M3.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
模块M3.2：当电路板内温度低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于超频工作状态；
模块M3.3：当电路板内温度高于报警阈值时，并且电路板功耗高于正常数值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU退出超频，进入正常状态。
优选地，所述模块M4包括：
模块M4.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗。
模块M4.2：当电路板内温度高于安全阈值/低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于正常工作状态，通过散热电路板的温度会持续降低。
模块M4.3：当电路板内温度低于安全阈值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU进入超频。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明所要提供的是一种在军备产品研究的原型电路。电路可根据程序动态修改芯片的供电电压和时钟频率；
2、本发明在不修改硬件电路的情况下实现芯片的超频、降频功能，进而对芯片的功耗进行管理；
3、本发明满足各军兵种对于装备芯片选型的灵活性、通用性要求；
4、本发明满足在不同计算性能需求下对装备的低功耗要求；
5、本发明满足计算性能、装备功耗的智能自动调节、适配。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种程控智能电源与时钟控制方法，包括：
步骤S1：搭建时钟和电源供给及反馈的硬件平台：将时钟模组和电源模组的输出反馈给CPU；
所述时钟模组包括：一个或者多个时钟驱动器和晶体振荡器，用于生成CPU正常工作的时钟；
所述电源模组包括：多个电源芯片；
步骤S2：通过MCU控制时钟模组和电源模组的输出，使CPU工作于超频状态；
步骤S3：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗高于报警阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU退出超频至正常工作状态；
步骤S4：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗低于安全阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU重新进入超频工作状态；
步骤S5：获取程控智能电源与时钟控制结果信息。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：外部电源为电源模组内的电源芯片提供外部能量，多个电源芯片输出设定电压，多个电源芯片将外部供电的电压转换成CPU和其余芯片所需的电压，保证各芯片供电电流满足实际功耗需要。
步骤S1.2：时钟模组内的晶体振荡器为时钟驱动器提供参考时钟源，时钟驱动芯片输出满足CPU正常工作所需的时钟信号；
步骤S1.3：使用MCU监控时钟模组和电源模组的输出值。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：所述MCU配置时钟驱动器输出更高频率的时钟信号，满足CPU超频时的时钟频率需要；
同时MCU监控时钟驱动器输出的时钟信号，确保其工作稳定；
步骤S2.2：所述MCU通过数字电位器控制电源模组内各个电源芯片的配置电阻，修改电源模组输出的电源以匹配超频时的电压变化。
优选地，步骤S3包括：
步骤S3.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
步骤S3.2：当电路板内温度低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于超频工作状态；
步骤S3.3：当电路板内温度高于报警阈值时，并且电路板功耗高于正常数值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU退出超频，进入正常状态。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗。
步骤S4.2：当电路板内温度高于安全阈值/低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于正常工作状态，通过散热电路板的温度会持续降低。
步骤S4.3：当电路板内温度低于安全阈值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU进入超频。
根据本发明提供的一种程控智能电源与时钟控制系统，包括：
模块M1：搭建时钟和电源供给及反馈的硬件平台：将时钟模组和电源模组的输出反馈给CPU；
所述时钟模组包括：一个或者多个时钟驱动器和晶体振荡器，用于生成CPU正常工作的时钟；
所述电源模组包括：多个电源芯片；
模块M2：通过MCU控制时钟模组和电源模组的输出，使CPU工作于超频状态；
模块M3：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗高于报警阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU退出超频至正常工作状态；
模块M4：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗低于安全阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU重新进入超频工作状态；
模块M5：获取程控智能电源与时钟控制结果信息。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：外部电源为电源模组内的电源芯片提供外部能量，多个电源芯片输出设定电压，多个电源芯片将外部供电的电压转换成CPU和其余芯片所需的电压，保证各芯片供电电流满足实际功耗需要。
模块M1.2：时钟模组内的晶体振荡器为时钟驱动器提供参考时钟源，时钟驱动芯片输出满足CPU正常工作所需的时钟信号；
模块M1.3：使用MCU监控时钟模组和电源模组的输出值。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：所述MCU配置时钟驱动器输出更高频率的时钟信号，满足CPU超频时的时钟频率需要；
同时MCU监控时钟驱动器输出的时钟信号，确保其工作稳定；
模块M2.2：所述MCU通过数字电位器控制电源模组内各个电源芯片的配置电阻，修改电源模组输出的电源以匹配超频时的电压变化。
优选地，模块M3包括：
模块M3.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
模块M3.2：当电路板内温度低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于超频工作状态；
模块M3.3：当电路板内温度高于报警阈值时，并且电路板功耗高于正常数值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU退出超频，进入正常状态。
优选地，所述模块M4包括：
模块M4.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗。
模块M4.2：当电路板内温度高于安全阈值/低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于正常工作状态，通过散热电路板的温度会持续降低。
模块M4.3：当电路板内温度低于安全阈值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU进入超频。
具体地，在一个实施例中，嵌入式计算电路板板内包含八片DSP芯片，健康管理芯片，时钟芯片与电源模组。嵌入式计算电路板的DSP芯片支持1GHz和1.2GHz两种主频，对应内核供电电压分别为0.9V和1.0V，供给主频随配置可为25MHz,100MHz,125Mhz等。电路板内还有一个健康管理芯片可用来实时监测板内电压、电流、温度等信息。健康管理芯片(后文简称BMC)与电源模组外挂的数字电位器通过I2C总线通信，与时钟芯片通过I2C或SPI总线通信，与DSP芯片通过IPMB总线通信。
用户可通过网络或调试串口访问BMC芯片，下达切换DSP主频的指令。BMC会配置电源模组和时钟芯片至对应主频所需的状态。同时，BMC还通过内部集成的ADC模块实时获取电源模组的电压信息，通过IPMB总线获取DSP上报的实际工作主频和供给时钟频率等信息，进而利用PID算法对电压、时钟参数进行动态精确控制。
用户还将BMC芯片切换至智能模式，BMC实时检测芯片电压、电流、温度和工作频率等信息，根据电路板内承担的计算量来动态切换DSP芯片的主频。并在DSP功耗较大，温度传感器反馈温度较高时将DSP芯片主频降低，以此来降低电路板功耗，保证产品整体的正常运行。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种程控智能电源与时钟控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：搭建时钟和电源供给及反馈的硬件平台：将时钟模组和电源模组的输出反馈给CPU；
所述时钟模组包括：一个或者多个时钟驱动器和晶体振荡器；
所述电源模组包括：多个电源芯片；
步骤S2：通过MCU控制时钟模组和电源模组的输出，使CPU工作于超频状态；
步骤S3：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗高于报警阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU退出超频至正常工作状态；
步骤S4：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗低于安全阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU重新进入超频工作状态；
步骤S5：获取程控智能电源与时钟控制结果信息。
2.根据权利要求1所述的程控智能电源与时钟控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：多个电源芯片输出设定电压；
步骤S1.2：时钟模组内的晶体振荡器为时钟驱动器提供参考时钟源，时钟驱动芯片输出满足CPU正常工作所需的时钟信号；
步骤S1.3：使用MCU监控时钟模组和电源模组的输出值。
3.根据权利要求1所述的程控智能电源与时钟控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：所述MCU配置时钟驱动器输出更高频率的时钟信号，满足CPU超频时的时钟频率需要；
同时MCU监控时钟驱动器输出的时钟信号；
步骤S2.2：所述MCU通过数字电位器控制电源模组内各个电源芯片的配置电阻，修改电源模组输出的电源以匹配超频时的电压变化。
4.根据权利要求1所述的程控智能电源与时钟控制方法，其特征在于，步骤S3包括：
步骤S3.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
步骤S3.2：当电路板内温度低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于超频工作状态；
步骤S3.3：当电路板内温度高于报警阈值时，并且电路板功耗高于正常数值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU退出超频，进入正常状态。
5.根据权利要求1所述的程控智能电源与时钟控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
步骤S4.2：当电路板内温度高于安全阈值/低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于正常工作状态，通过散热电路板的温度会持续降低；
步骤S4.3：当电路板内温度低于安全阈值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU进入超频。
6.一种程控智能电源与时钟控制系统，其特征在于，包括：
模块M1：搭建时钟和电源供给及反馈的硬件平台：将时钟模组和电源模组的输出反馈给CPU；
所述时钟模组包括：一个或者多个时钟驱动器和晶体振荡器；
所述电源模组包括：多个电源芯片；
模块M2：通过MCU控制时钟模组和电源模组的输出，使CPU工作于超频状态；
模块M3：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗高于报警阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU退出超频至正常工作状态；
模块M4：通过MCU监控电路板温度和总功耗，当温度和功耗低于安全阈值时配置时钟模组和电源模组使CPU重新进入超频工作状态；
模块M5：获取程控智能电源与时钟控制结果信息。
7.根据权利要求6所述的程控智能电源与时钟控制系统，其特征在于，所述模块M1包括：
模块M1.1：多个电源芯片输出设定电压；
模块M1.2：时钟模组内的晶体振荡器为时钟驱动器提供参考时钟源，时钟驱动芯片输出满足CPU正常工作所需的时钟信号；
模块M1.3：使用MCU监控时钟模组和电源模组的输出值。
8.根据权利要求6所述的程控智能电源与时钟控制系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：所述MCU配置时钟驱动器输出更高频率的时钟信号，满足CPU超频时的时钟频率需要；
同时MCU监控时钟驱动器输出的时钟信号；
模块M2.2：所述MCU通过数字电位器控制电源模组内各个电源芯片的配置电阻，修改电源模组输出的电源以匹配超频时的电压变化。
9.根据权利要求6所述的程控智能电源与时钟控制系统，其特征在于，模块M3包括：
模块M3.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
模块M3.2：当电路板内温度低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于超频工作状态；
模块M3.3：当电路板内温度高于报警阈值时，并且电路板功耗高于正常数值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU退出超频，进入正常状态。
10.根据权利要求6所述的程控智能电源与时钟控制系统，其特征在于，所述模块M4包括：
模块M4.1：MCU监控电路板内的温度传感器反馈的温度值，同时根据电流传感器反馈的电流值获得当前电路板的实时功耗；
模块M4.2：当电路板内温度高于安全阈值/低于报警阈值时，保持时钟模组和电源模组的配置使得CPU处于正常工作状态，通过散热电路板的温度会持续降低；
模块M4.3：当电路板内温度低于安全阈值时，重新配置时钟模组和电源模组的配置使得CPU进入超频。
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