CN1344389A - 管理计算机系统中的功耗的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

对与由计算机系统的至少一个部分消耗的功率近似地成比例的电子参数(Vcc)进行测量。然后这个测量用于判定由计算机系统的该部分消耗的功率是否达到一个阈值(150)。

Description

管理计算机系统中的功耗的方法和设备
本发明涉及计算机系统，并且进一步涉及通过调节由集成电路消耗的功率来限制计算机系统中消耗的功率以响应一个高功率的条件。
背景技术
计算机系统，从小的手持电子设备到中等大小的移动和台式系统到大的服务器和工作站，在我们的社会中变得越来越普遍。计算机系统典型地包括一个或多个处理器。处理器通过执行指令来操作和控制计算机中的数据流。为了给用户提供更强大的计算机系统，处理器设计者争取不断地增加处理器的操作速度。不幸的是，随着处理器速度增加，由处理器消耗的功率也趋向于增加。在历史上，由处理器消耗的功率已经由两个因素所限制。第一，随着功率消耗增加，处理器趋向于更热，导致了散热的问题。第二，随着功率消耗的增加，移动计算机系统的电池的使用时间缩短，导致了系统对消费者的吸引力更小。
处理器和计算机系统设计者已经开发了大量的方法来处理这些问题。例如，处理器设计者实现减少功率消耗的专用电路设计技术。另外，设计了现代计算机系统以关闭在时间的特定期间中不需要的部分系统。这两种技术都保存功率并且帮助延长电池寿命。
为了处理热的问题，精心设计的散热系统经常附加在处理器上来帮助从处理器向周围环境散热。一些处理器组件包括一个热传感器来监测处理器的温度。如果处理器温度超过一个特定的阈值，处理器被置于低功率模式下直到它冷却下来。如果没有采取这些预防措施，处理器会被自身的热所毁坏。
发明内容
描述了用于管理在计算机系统中消耗的功率的一种方法和设备。依据本发明的一个实施例，对与由计算机系统的至少一个部分消耗的功率近似地成比例的电子参数进行测量。然后这个测量被用于判定由所述计算机系统的所述部分消耗的功率是否已经达到了一个阈值。
从附图和随后的详细描述将使本发明的其它特性和优点变得明显。
附图说明
本发明通过例子的方式来说明，并且不局限于附图，其中相似的标号表示相似的部件，其中：
图1是依据本发明的一个实施例形成的一个计算机系统；
图1A是图1的一个电源中的一个开关式稳压器；
图2A是显示对于本发明的一个实施例，总功率消耗与时间相比的一个曲线图；
图2B是显示对于本发明的一个替换实施例，总功率消耗与时间相比的一个曲线图；
图3是包括依据本发明的一个实施例形成的一个处理器的一个计算机系统；
图4是依据本发明的一个实施例，显示减少处理器的功率消耗的一种方法的一个流程图；
图5是显示在本发明的第一实施例中图4的方法的一个流程图；
图6是显示在本发明的第二实施例中图4的方法的一个流程图；以及
图7是显示在本发明的第三实施例中图4的方法的一个流程图。
具体实施方式
计算机系统功率消耗现在正迅速接近操作该系统所需的功率不再可靠地供给所述系统的程度。这首先由于包含在连接到电源引出线的系统中的一个或多个处理器在过度活动期间可能消耗比电源引出线能够供应的功率更多的功率这一事实。在这种情况下，保护电源输出线的保险丝或电路保护器可以在系统的正常操作期间断开(或熔断)。
依据本发明的一个实施例，由一个计算机系统的至少一部分消耗的功率通过测量与所消耗的功率近似地成比例的一个参数、例如电压、电流或电源中一个开关信号的占空因数来监测。这些测量值提供给功率控制器。计算机系统的被监测的部分，除了消耗大量功率的其它集成电路(IC)例如桥接器(或“芯片组”)或视频终端之外，还可以包括计算机系统的一个或多个处理器。
一旦如功率控制器判定的消耗功率达到一个阈值，一个调节信号将由控制器发送到计算机系统的一个或多个IC。响应于接收该调节信号，一个或多个IC减小其功率消耗。例如，对于本发明的一个实施例，计算机系统的一个处理器在保持一个固定总线频率的同时减少其核心频率以响应接收的调节信号。对于另一个实施例，处理器停止一个或多个流水线的全部或部分，或向一个或多个流水线发出空操作(no-ops)以响应调节信号。
通过直接监测功率消耗，或与其成比例的一个值，避免了与接近处理器的热传感器的不良定位有关的温度测量的不准确性。另外，在检测一个高的功率状态和减少计算机系统的功率消耗之间的响应时间与使用热传感器来检测高的功率状态相比大大地改善了。下面提供了本发明的实施例的一个更详细的描述，包括各种配置和实现。
图1是依据本发明的一个实施例形成的一个多处理器计算机系统。初级桥接器110通过一个系统总线连接到处理器100和101。桥接器110用于把处理器连接到主存储器115以及通过外围总线把处理器连接到外围部件。次级桥接器125把外部存储器140和视频终端145连接到外围总线。
图1的外围部件120和130可以包括音频和视频输入/输出装置例如音频/视频发生器、加速器、或分析器。外部存储器140可以包括一个硬盘驱动器、软盘、磁带驱动器、或其它非易失性、机器可读的存储介质。视频终端145可以包括任意的视频显示设备例如阴极射线管(CRT)终端或平面显示器例如液晶显示屏(LCD)。主存储器115可以包括动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)、闪速EPROM或其它高速、高容量存储介质。对于本发明的一个替换实施例，图1的计算机系统可以改进为单处理机系统，或它可以包括多于两个的处理器。
图1的计算机系统的每一个装置由电源Vcc供应功率并且由一块仪表来监测这个功率。功率控制器150连接到每一个装置和每一块仪表。注意每一个装置可以包括一个或多个消耗功率的IC。对于本发明的一个实施例，所述计算机系统包括一个或多个独立的电源，每一个独立电源为一个或多个IC提供功率。一块仪表可以监测由单个的IC或任意数量的IC消耗的功率。对于本发明的一个更简单的实施例，一块或多块仪表可以仅仅连接到选定数量的IC，监测那些选定的IC的功率消耗。对于这个实施例，可以发现所监测的IC是那些在计算机系统中消耗主要功率的那些IC这一点是有利的。例如，可以仅仅单独地监测处理器A100和处理器B101消耗的功率或外加桥接器110、视频终端145和外部存储器140所消耗的功率。此外，功率控制器150可以连接到所有的IC或仪表或者仅仅连接到选定数量的IC或仪表。
依据本发明的一个实施例，图1的功率控制器150是一个独立的IC或是一个包括在另一个IC中的一个单元。例如，对于本发明的一个实施例，功率控制器150可以包括在所述计算机系统的一个桥接器或一个处理器中。对于本发明的一个替换实施例，功率控制器是由计算机系统的一个处理器执行来实现下面描述的功能的软件代码。
图1的计算机系统的一个或多个仪表通过测量一个与由一个或多个IC消耗的功率近似地成比例的参数来监测功率消耗。然后把这些测量值提供给功率控制器150。例如，一块仪表可以测量功率、电流或电压。电流消耗可以由例如测量电感的霍耳效应传感器来磁性地测量。或者，可以测量通过已知电阻值的电阻器的压降。
对于其中电源包括一个开关式稳压器的一个实施例，可以通过图1的相连仪表来测量开关信号的一个或多个参数。图1A是图1的电源中的一个开关式稳压器。如图1A所示，来自电源引出线的AC功率信号由输入电路160来整流、滤波和调节。或者，对于两个或多个电源级联的一个实施例，到电路160的输入可以是来自另一个电源的DC功率信号。对于该替换实施例，不需要由输入电路160来整流功率信号。
从输入电路160得到的高电压DC功率信号是在脉宽调制器163的控制下由开关晶体管161、162调制的脉冲。调制器163通过将一个开关信号提供到晶体管的基极来控制功率信号调制。结果，把脉冲功率信号提供给变压器164，其输出由输出电路165来整流、滤波和调节。得到的DC功率信号Vcc提供给计算机系统的一个或多个IC，反馈到脉宽调制器163。这个反馈信号由调制器163监测来调整开关信号的脉宽。如果Vcc降到期望的输出电压之下，调制器163增加脉宽。如果Vcc升到期望的输出电压之上，调制器减小脉宽。
调制器163提供给开关晶体管161或162基极的开关信号的一个或多个参数可以与连接到Vcc输出的IC消耗的功率或电流成比例。例如，脉宽或占空因数(这里两者都称为占空因数)可以与功率消耗成比例。因此，依据本发明的一个实施例，开关信号的占空因数由图1的相联仪表测量，并且把这些测量提供给功率控制器150。占空因数可以从提供给一个或全部两个开关晶体管的基极的开关信号测量。或者，脉宽调制器163可以提供一个指示开关信号的占空因数的分离的信号。对于另一个实施例，通过测量开关晶体管提供给变压器164的脉冲功率信号的占空因数来间接地测量开关信号的占空因数。
再次参考图1，来自仪表的测量值可以转换为用于由功率控制器150处理的数字格式。或者，如果功率控制器150包括模拟电路，测量可以保存为模拟电流或电压电平。
功率控制器150从图1的计算机系统的一个或多个仪表收集测量值并且计算由计算机系统的包括相联系的IC的部分消耗的总的功率。或者，功率控制器150可以计算与计算机系统的该部分消耗的总功率成比例的任意值的总和，例如电流、电压或占空因数。如果所消耗的总功率达到一个阈值，或如果与所消耗的总功率成比例的一个值的总和达到一个阈值，控制器150把调节信号发送到计算机系统的一个或多个IC。响应于接收到调节信号，一个IC减小它的功率消耗。注意为了简单，如同今后所使用的，术语“功率”或者包括实际功率或值、例如电流、电压、占空因数，或者包括与功率成比例的其它测量值。
接收调节信号并且依次减小它们的功率消耗的IC可以以任意多的不同方式由图1的功率控制器150选择。对于本发明的一个实施例，功率控制器150把调节信号发送到消耗计算机系统中大多数功率的一个或多个IC。例如，对于本实施例，可以把调节信号发送到一个或全部两个处理器100或101。对于另一个实施例，功率控制器150把调节信号发送到对计算机系统的操作具有低影响的一个或多个IC。例如，对于本实施例，可以把调节信号发送到视频终端145或外部存储器140。如本实施例的另一个例子，如果外围部件120或130对于目前在处理器100或101中指令的执行或者是停止的或者是不需要的，可以把所述调节信号发送到这些外围部件之一或两者。
图2A是依据本发明的一个实施例，对于图1的全部或一部分计算机系统显示总功率消耗与时间相比的一个曲线图。在图中向上的尖峰是表示所述计算机系统的一个或多个IC、典型地为处理器过度活跃的周期。在功率控制器中的上阈值设置显示为图2A的曲线图中的上限制线。此阈值可以固定地在功率控制器中设置或可以由系统设计者或系统用户通过软件或硬件控制来修改。
对于本发明的一个实施例，上限是如图2A中所示的一个常数值。此常数值可以是在引出线的保险丝或断路器切断之前由计算机系统可靠地消耗的来自系统所插入的电源引出线的近似最大功率相联系。例如，这个值可以通过修改存储在计算机的基本输入/输出系统(BIOS)中的设置来改变。对于本发明的另一个实施例，该阈值不是严格地是消耗的总功率的一个函数，而是消耗的总功率和时间的一个函数。例如，在它们的断路器断开前，一些功率输出线能够维持高功率状况有限的一段时间。在这些情况下，总功率值可以在一段时间上积分并且把它和与输出线的总功率发送规格有关的一个阈值比较。对于这个例子，功率峰值可以允许有限的一段时间。
一旦达到所述阈值，功率控制器把调节信号发送到所述计算机系统的一个或多个IC。当一个IC响应调节信号减小了功率消耗时，如图2A中所示减小了功率控制器计算出的所述总功率消耗。
对于图2A的实施例，一旦触发，调节信号连续地保持直到功率控制器计算出的总功率消耗达到低的限制线指示的低的阈值。一旦达到这个低的阈值，调节信号可以撤消，并且作为响应，IC恢复正常的操作。依据这个实施例，低的阈值可以设置为预定的值，选择这个预定的值来提供迟滞以减小在高的和低的阈值之间的功率振荡的出现。这个低的阈值可以是硬连接到功率控制器中或硬连接到接收调节信号的IC中。或者，例如，低的阈值可以由用户修改或在计算机系统中自动地调节以减小功率振荡。
图2B是依据本发明的一个替换实施例显示图1的全部或一部分计算机系统的总功率消耗与时间的一个曲线图。图2B的曲线类似于图2A的曲线，除了对于图2B的实施例，一旦触发调节信号，对于一个预定的一段时间200信号是连续地保持的。一旦这个预定的一段时间200过去，调节信号可以撤消并且作为响应，IC恢复正常操作。依据这个实施例，预定的一段时间可以被选择为减少总功率消耗振荡的出现。这个预定的一段时间200可以是硬连接到功率控制器中或者是硬连接到接收调节信号的IC中。或者，例如预定的一段时间200可以由用户修改或在计算机系统中自动地调节以减小功率振荡。
图3是依据本发明的一个实施例所形成的包括处理器310的一个计算机系统。系统时钟301和调节信号线被连接到处理器310的时钟同步器311。处理器310包括总线接口312和具有流水线313的一个核心。总线接口312和流水线313从时钟同步器311接收单独的时钟信号。总线接口312的同步单元314连接到流水线313的输入和输出并且通过系统总线320与其它IC通信数据。
依据本发明的一个实施例，图3的时钟同步器311接收系统时钟301，并利用第一比率倍频系统时钟频率来产生一个提供给总线接口312的总线频率。连接到总线320的其它的IC(未显示)以这个总线频率与处理器310通信。时钟同步器311也利用第二比率来倍频系统时钟频率来产生一个称为核心频率的更高的频率。核心频率提供给流水线313。流水线313以这个核心频率操作。同步单元314包括同步逻辑，以核心频率与流水线313以及以总线频率与总线接口312通信数据。
当由图3的时钟同步器311接收调节信号时，通过利用第三比率倍频系统时钟频率以减小核心频率来产生一个低于原始核心频率的减小的核心频率。这个减小的核心频率提供给流水线313，流水线313以这个减小的核心频率操作。当调节信号被撤消时，核心频率通过利用第二比率倍频系统时钟频率并且将得到的高的核心频率应用到流水线313来增加到它的原始值。在这个核心频率操作期间，提供给总线接口312的总线频率保持一致。这样，尽管处理器310的操作频率(核心频率)被调整以响应调节信号，计算机系统继续不被干扰地操作，因为处理器310以一致的总线频率与连接到总线320的其它IC通信。
减小图3的处理器310的核心操作频率减小了由处理器310消耗的功率。依据本发明的一个实施例，处理器310的核心频率之间的突变可以通过响应于调节信号快速地在时钟同步器311中的两个倍增比率之间切换来达到。核心频率之间的一个更慢、更平滑的变化可以通过单步调试高的和低的核心频率之间的不同的倍增比率来达到。为了通过功率控制器为高的功率状态的检测提供良好的反应时间期望一个快速的频率变化。为了帮助减小电源瞬变，期望一个更低的频率变化。依据本发明的一个实施例，可以选择频率变化的速度来减小总功率消耗振荡的出现。例如频率变化速度可以是硬连接到处理器中的、用户可改变的、或者在计算机系统中自动调节的以减小功率振荡。
对于本发明的一个替换实施例，响应调节信号的保持，图3的处理器310停止全部或部分流水线313。停止(也称为冻结或暂停)一个流水线显著地减小了处理器的功率消耗，因为没有或几乎没有指令在处理器停止的同时执行。或者，为停止的流水线或流水线部分提供的时钟被关闭。在撤消调节信号时释放流水线停止。停止可以是全局的，其中停止处理器310中的全部流水线，或是局部的，其中仅仅停止选定的流水线。对于其中执行了局部停止的一个实施例，停止了哪个流水线或所述流水线的哪部分可以由处理器设计者预先确定，并且硬连接到处理器中。或者，这个确定可以由用户改变或由处理器自动地选择。
对于本发明的另一个实施例，响应于调节信号的保持，图3的处理器310发出空操作到流水线313。一个空操作需要很少或不需要由处理器在执行上的服务或活动，这样处理器仅仅要求功率的一小部分功率(例如不到一半)来执行它要求执行大多数其他指令的空操作。或者，供给执行空操作的流水线或流水线部分的时钟被关闭。在撤消调节信号时程序代码的正常指令再一次发布到流水线。对于本发明的一个实施例，空操作和正常指令的混合在调节信号的保持期间发布到所述的流水线。有关空操作和正常指令之间的混合可以由处理器设计者预先确定，并且硬连接到处理器中。或者，这个确定可以由用户修改或由处理器自动地选择。
图4是依据本发明的一个实施例，显示减小处理器的功率消耗的一种方法的流程图。在步骤400，测量由处理器消耗的功率或与功率成比例的参数。这个功率可以由一块仪表测量并且测量值可以以数字或者模拟的形式提供给功率控制器。例如，一个安培计可以向功率控制器提供一个由处理器消耗的电流的测量值。下一步，在步骤405，功率控制器判定功率是否已经达到一个高的阈值。如果功率没有达到一个高的阈值，在步骤400继续正常的操作。但是，如果功率已经达到该阈值，那么在步骤410，减小由处理器消耗的功率总量。这个减小可以是响应从功率控制器发送到处理器的调节信号。
下一步，在图4的步骤415，功率控制器判定功率是否已经达到一个低的阈值。对于本发明的另一个实施例，功率控制器可选择地或附加地判定自从在步骤410减小了功率消耗时是否已经过去一个预定时间周期。如果判定证明是错的，那么功率消耗在步骤410继续减小(或对于一个替换实施例，继续处于一个减小的状态)，直到在步骤415的判定保持为真。一旦功率达到一个低的阈值或预定时期已经过去，在步骤420恢复正常的操作并且所述方法返回到步骤400。
图5是显示本发明的第一实施例中的图4的方法的流程图。在步骤500，当处理器通过以总线频率操作的总线与计算机系统的其它IC通信时，处理器核心以高的核心频率操作。下一步，在步骤505，判定处理器是否已经接收到一个调节信号。这个调节信号可以在判定由全部或部分计算机系统消耗的总功率已经达到一个阈值的基础上由功率控制器发送到处理器。如果处理器不接收调节信号(或接收一个撤消调节信号)，继续处理器的在高的核心频率的正常操作。但是，如果处理器接收调节信号，那么在步骤510，减小处理器的核心频率。总线继续通过以原始总线频率的总线操作来与计算机系统的其它IC通信。
下一步，在图5的步骤515，判定到处理器的调节信号是否已经被撤消。在步骤510频率保持在所述减小的状态，直到调节信号被撤消。一旦调节信号在步骤515被撤消，处理器在步骤520恢复在高的核心频率的正常操作，并且所述方法返回步骤500。
图6是显示在本发明的第二实施例中的图4的方法的一个流程图。在步骤600，通过经由处理器流水线连续地发布指令并且执行这些指令来操作处理器。处理器消耗的功率在此操作期间被连续地测量并且由功率控制器监测。下一步，在步骤605，功率控制器判定功率是否已经达到所述高的阈值。如果功率没有达到所述高的阈值，继续处理器的正常操作。但是，如果功率已经达到了所述高的阈值，那么，在步骤610，处理器流水线的全部或一部分被停止以减小处理器消耗的功率。
下一步，在图6的步骤615，功率控制器判定功率是否已经达到一个低的阈值，或者，功率控制器可以判定自从在步骤610停止了所述的流水线时，一预定时期是否已经过去。流水线在步骤610继续停止直到功率已经达到一个低的阈值或预定时期已经过去。一旦达到低的阈值或预定时期已经过去，在步骤620上恢复正常的操作(例如，释放停止的流水线)并且所述方法返回步骤600。
图7是显示本发明的第三实施例中的图4的方法的一个流程图。在步骤700，通过经由处理器流水线连续地发布指令并且执行那些指令来操作处理器。在此操作期间连续地测量由处理器消耗的功率并且由功率控制器监测。下一步，在步骤705，功率控制器判定功率是否已经达到一个高的阈值。如果功率没有达到高的阈值，继续处理器的正常操作。但是，如果功率已经达到所述的高的阈值，那么，在步骤710，空操作被插入到处理器流水线中来减小处理器的功率消耗。
下一步，在图7的步骤715，功率控制器判定功率是否已经达到一个低的阈值，或者功率控制器可判定自从在步骤710把空操作插入流水线中时，预定周期的时间是否已经过去。在步骤710空操作继续插入到流水线中直到功率已经达到一个低的阈值或预定时期已经过去为止。一旦达到所述低的阈值或预定时期已经过去，在步骤720恢复正常操作(例如正常指令流再次发布到流水线)并且所述方法返回步骤700。
参考本发明的特定的示例实施例描述了本发明。但是，对于已经从该公开获益的人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的更宽精神和范围的情况下，可以对这些实施例作出各种修改和改变。因此，说明书和附图被看作例示性的而非限制性的。

Claims (21)

1、一种管理计算机系统中的功率消耗的方法，包括：
对与由计算机系统的至少一个部分消耗的功率成比例的参数进行测量；以及
使用所述测量来判定由计算机系统的所述部分消耗的功率是否已经达到一个阈值。
2、如权利要求1所述的方法，进一步包括：如果由计算机系统的所述部分消耗的功率已经达到一个阈值时，发送一个调节信号。
3、如权利要求2所述的方法，进一步包括：减小由计算机系统的所述部分消耗的功率以响应接收调节信号的集成电路(IC)。
4、如权利要求3所述的方法，其中减小由部分计算机系统消耗的功率包括减小供给IC的时钟频率或电压。
5、如权利要求3所述的方法，其中进行所述测量包括测量在连接到一个处理器的电源中的一个开关信号的占空因数，以及减小功率包括减小由处理器消耗的功率以响应接收所述调节信号的处理器。
6、如权利要求3所述的方法，其中进行所述测量包括测量在供给功率的电源中的一个开关信号的占空因数，以及减小功率包括减小由IC消耗的功率以响应调节信号，所述IC对计算机系统的操作具有较低影响。
7、如权利要求1所述的方法，其中进行所述测量包括测量在连接到计算机系统的所述部分的电源中开关信号的占空因数。
8、如权利要求1所述的方法，其中进行所述测量包括测量在提供功率的电源中开关信号的占空因数。
9、如权利要求1所述的方法，其中使用所述测量包括判定由计算机系统的所述部分消耗的功率是否已经达到预定为一个常数值的阈值。
10、如权利要求1所述的方法，其中使用所述测量包括判定由计算机系统的所述部分消耗的功率是否已经达到被作为一个时间的函数计算的阈值。
11、一种限制由计算机系统消耗的功率的方法，包括：
测量一个与由计算机系统的第一部分消耗的功率成比例的第一参数；
测量一个与由计算机系统的第二部分消耗的功率成比例的第二参数；
如果合并至少所述第一和第二参数的一个计算达到了一个阈值，把调节信号发送到计算机系统的集成电路(IC)；以及
减小由IC消耗的功率以响应接收到所述信号。
12、如权利要求11所述的方法，进一步包括判定所述计算是否达到一个预定为一个用户定义值的阈值。
13、如权利要求11所述的方法，进一步包括判定所述计算是否达到一个作为一个时间的函数计算的阈值。
14、如权利要求11所述的方法，其中计算机系统是一个多处理器计算机系统，其中所述第一部分包括一个第一处理器以及所述第二部分包括一个第二处理器。
15、如权利要求11所述的方法，其中测量所述第一参数包括测量连接到计算机系统的第一部分的第一电源的开关信号的占空因数，以及测量所述第二参数包括测量连接到计算机系统的第二部分的第二电源的开关信号的占空因数。
16、一个计算机系统包括：
一个提供由计算机系统消耗的功率的电源；
一个连接到电源以测量与所述功率近似地成比例的参数的值的仪表；以及
如果使用所述值计算的一个总数达到一个阈值则把调节信号发送到计算机系统的集成电路的一个控制器。
17、如权利要求16所述的计算机系统，其中所述IC是一个处理器。
18、如权利要求16所述的计算机系统，其中所述参数是所述电源的一个开关信号的一个占空因数。
19、如权利要求16所述的计算机系统，其中控制器包含在所述计算机系统的一个桥接器内。
20、如权利要求16所述的计算机系统，其中所述阈值预定为一个与可以由所述计算机系统消耗的近似最大功率有关的值。
21、如权利要求16所述的计算机系统，其中所述阈值是时间的一个函数。
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