CN1459692A - 基于计算机平台上嵌入系统的cpu频率控制的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，首先，获取CPU的目标调节频率，然后通过嵌入式操作系统与BIOS的通信实现该CPU目标调节频率的设置，本发明综合在嵌入系统上功能应用CPU频率利用率、当前CPU频率的利用率以及对后续频率的估计，通过加权控制，在不影响功能应用程序性能的前提下，通过降低CPU的频率，实现了CPU最低的功耗，降低了部件的噪声；将CPU根据具体的应用情况进行适当的降频，从而延长了CPU的寿命。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，特别是指一种基于计算机嵌入式操作系统平台的功能应用基础上的CPU频率调节，以达到节能与延长CPU寿命效果的CPU频率调节的方法。
背景技术：
随着大规模集成电子技术的发展，CPU的工作频率也日益提高，个人计算机(PC)架构的功能也越来越强，CPU的速度也有了极大的提高。CPU作为计算机的核心部件，其主频的不断提高，使得它的散热问题的也成为计算机散热的一大重点问题。
参见表1，尽管CPU的主频升高，但是CPU所要求的环境温度并没有发生变化，CPU内核所允许的最高温度基本没有变化，甚至所允许的最高温度却有较大的下降趋势；与此同时，这些CPU的功率却有很大幅度的提高；显而易见CPU的发热量也将因此而有很大幅度的增加。CPU亦成为计算机中最大的发热源。此时，如何解决计算机的心脏-CPU的散热问题，保证其正常安全地工作，已经成为计算机领域中一个重要的研究方向。
表1
CPU的散热可以有如下的多种方式：利用计算机系统结构散热，风冷散热，液冷散热，热管散热等，其原理是加速CPU热量的散发，从而保证CPU正常安全地工作。当然，也可以通过CPU的频率进行控制，实现其热量的减少与能源的节约。但是，对于一般的嵌入系统而言，由于功能比较单一，CPU的频率不是很高，这种CPU有可能是单片机，低频的CPU等。但由于嵌入系统的架构相对简单和协调，系统平台与功能平台之间相互融合，因而对于一般的嵌入系统而言：CPU的利用率是一定的。
在一般计算机的应用中，对于不同的应用程序要求CPU的运行速度是不同的；事实上，高速CPU对于大部分的办公程序而言是多余的。因此可以降频使用。
一般计算机的降频有两种方法：一是直接对CPU进行操作，例如：将2.0GHz的CPU当作1GHz或者更低的CPU来使用；这样做，对整个系统其余部分的性能并没有降低，例如：图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)，周边元件扩展接口(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)的频率没有直接的变化；另外一种方式是直接对计算机的时钟频率进行调整，即：调整主板上的时钟芯片，这样一来，由于AGP，PCI，前端总线(front side bus，简称为FSB)等频率也会随着时钟基频的改变而改变，所以，计算机从总体上降低了性能。
如中国专利(申请号为01103430)《计算机，计算机系统，及省电控制方法》主要设计了一种驱动程序，将一般的操作系统与基本输入输出系统(Basic Input Output System，简称BIOS)之间多阶段的省电控制信号(待机信号，暂停信号，切断信号)变换成单一的节省电力控制信号(切断信号)，以变更节省电力控制的方法来达到节能的效果。而中国专利(申请号为97103669)《自动设置CPU参数的个人计算机》主要是利用BIOS中设计控制程序，通过对CPU参数控制逻辑电路控制从而达到控制CPU频率的结果，其主要涉及到BIOS与主板硬件电路的设计，但其从系统总体上为用户考虑，避免了用跳线与开关的麻烦。
参见图1，英特尔(INTEL)公司对市场中常用的应用软件进行了测试，实际上，一般常用的软件对CPU的使用率只有在50％～60％；因此INTEL对系统厂商的要求是：计算机系统散热的设计只要达到CPU的利用率为75％的情况就可以；也就是说：从CPU厂家而言75％的额定频率足够支持常规的应用。
发明内容：
本发明的主要目的在于提供一种基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，综合在嵌入系统上功能应用CPU频率利用率、当前CPU频率的利用率以及对后续频率的估计，通过加权控制，在不影响功能应用程序性能的前提下，通过降低CPU的频率，实现最低的功耗，降低部件噪声。
本发明的另一目的在于提供一种基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，将CPU根据具体的应用情况进行适当的降频，从而延长CPU的寿命。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，首先，获取CPU的目标调节频率，然后通过嵌入式操作系统与BIOS的通信实现该CPU目标调节频率的设置。
上述获取CPU的目标调节频率的具体步骤为：
步骤1：设置功能应用的平均频率和峰值频率；
步骤2：设置加权值；
步骤3：通过采样获取CPU在一设定时间内的平均频率；
步骤4：采样当前频率值；
步骤5：根据上述步骤获取的各频率及加权值，计算CPU的目标调节频率值。
所述的功能应用的平均频率通过将该功能应用时的测试值进行平均计算获得。
所述的功能应用的峰值频率为功能应用时的测试值的峰值。
上述的步骤5计算依据如下的公式：
其中，
fm为CPU在一设定时间内的平均频率；
fc为当前采样的CPU的频率；
fa为CPU的额定频率；
fp为功能应用的峰值频率；
f为CPU的目标调节频率；
A为设定的CPU频率的利用率；
λ1为CPU在一设定时间内平均频率的加权系数；
λ2为当前采样的CPU频率的加权系数；
λ3为功能应用平均频率的加权系数；
λ4为功能应用峰值频率的加权系数。
如上所述的CPU的目标调节频率满足如下公式：
其中，0≤f≤M
f为CPU的目标调节频率；
M为频率设置的最大值；并且同时满足M＝fp/A和M≤fa；
fp为CPU功能应用的峰值频率；
A为设定的CPU频率的利用率；
fa为CPU的额定频率。
通过嵌入式操作系统与BIOS的通信实现该CPU目标调节频率的设置的具体方法为：BIOS将收集到CPU频率值，通过动态数据表单传递给嵌入式操作系统，该操作系统再将计算后的目标调节频率值再通过动态数据表单传递给BIOS，BIOS据此对CPU频率进行调节。
所述的动态数据表单存放在BIOS与嵌入式操作系统共享的内存空间之中，其至少包括如下信息：标志字符串、CPU当前的频率利用率、CPU需要设置的CPU频率、备注。
本发明综合在嵌入系统上功能应用CPU频率利用率、当前CPU频率的利用率以及对后续频率的估计，通过加权控制，在不影响功能应用程序性能的前提下，通过降低CPU的频率，实现了CPU最低的功耗，降低了部件的噪声；将CPU根据具体的应用情况进行适当的降频，从而延长了CPU的寿命。
附图说明：
图1为CPU利用率与通用软件使用率的关系示意图。
图2为本发明的系统总体架构图。
图3为BIOS与CPU的频率接口示意图。
图4为本发明一实施例的CPU目标调节频率值的处理流程图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的硬件平台是公知的计算机硬件，而并不是特定针对某一嵌入式操作系统所要求的硬件，当用户使用遥控器，或者键盘等硬件设备触发计算机时，专用的BIOS启动，PC直接启动进入特定的功能模式，在用户的呈现界面上没有嵌入式操作系统的痕迹，用户只知道操作这一功能应用。例如，当计算机处于关机状态下，如用户现在想听音乐，那么用户按下音乐的功能按键，计算机直接启动进入音乐播放器的功能。在这模式下用户只能将计算机作为一音乐播放器来使用。此时，使CPU满负荷运转肯定是不经济的。
参见图2、图3，本发明主要涉及到以下几部分：
BIOS接口：计算机高级电源管理(ACPI)提供了一个编程接口节能周期(Throttle Duty Cycle，简称throttle)接口，它在BIOS与操作系统之间架起了桥梁；通过对BIOS的接口的统一，系统厂家可以通过统一的接口对CPU频率进行调整。当计算机上电启动后，BIOS进行POST与初始化后将系统的控制权加给操作系统。利用BIOS与嵌入式操作系统的共享的内存空间进行数据的交互，例如：将BIOS通过throttle接口收集到CPU频率值，通过动态数据表单传递给嵌入式操作系统。同时嵌入式操作系统通过一定的算法，综合出目前CPU频率的最佳频率值，再通过动态表单传递给BIOS，然后BIOS据此通过throttle接口对CPU频率进行调节。
参见表2，动态数据表单为一数据通道，通过它可直接建立BIOS与嵌入式操作系统之间的数据交互：
| BIOS参数表(F000段) | ||
| 起始位置 | 长度 | |
| 0H | ‘CPU frequency’ | 标志字符串。 |
| 0AH | 1 | CPU当前的频率利用率 |
| 0BH | 1 | CPU需要设置的CPU频率 |
| 0CH | 1 | 备注 |
| 0DH | 2 | |
参见图4，本发明的一实施例通过对嵌入操作系统下特定功能的CPU使用率的估计，再综合计算机CPU当前使用率与今后通过一定时间内采样的CPU使用率，以这三个值为基准，按照相应的控制方案来调节CPU实际的使用率，从而达到降频的效果。
具体的实现方式如下，：
定义：CPU的额定频率值为fe，即：如果CPU的工作主频为2.0GHz，则fe＝2.0GHz；
对于功能应用，可以通过对功能应用的测试得到该功能的CPU频率峰值fp，BIOS采样的CPU频率当前值为fc，CPU在2秒种采样的平均频率为fm，功能模式下对CPU要进行设置的目标频率值为f，常数A为额定CPU频率的利用率。
由于计算机基于单功能模式下的功能应用的具有确定性，(例如：电视功能、媒体播放功能等)，则CPU的使用频率是一定的，通过对fa和fp的分析可以知道：对于该功能模式下CPU的使用频率fu，有如下的约束公式：执行特定
功能的CPU的频率不会超过峰值频率fp，简单地说：fp/A的值可以作为该功能模式下的CPU的频率设定值。但由于频率峰值的出现概率与时间的持续性不是很长，因而直接设定fp/A的值是不经济的，为了更好地对CPU的频率进行设计。
设：M＝fp/A，如果M≥fa则M＝fa，
在该设计方案中M是频率设置的最大值，即不管计算机在该功能模式如何使用，CPU的频率不会超过M的值。
定义加权参数：λ1，λ2，λ3，λ4，则CPU的目标调节频率通过如下公式计算：其中，
fm为CPU在一设定时间内的平均频率；
fc为当前采样的CPU的频率；
fa为CPU的额定频率；
fp为功能应用的峰值频率；
f为CPU的目标调节频率；
A为设定的CPU频率的利用率；
λ1为CPU在一设定时间内平均频率的加权系数；
λ2为当前采样的CPU频率的加权系数；
λ3为功能应用平均频率的加权系数；
λ4为功能应用峰值频率的加权系数。
通过fa，fp，fc，fm四个值来定CPU的频率设置值f，这样通过对功能应用CPU频率的平均值与当前的CPU频率及在两秒中CPU频率变化的值的趋势进行参数的加权。控制的流程图如图4所示。
上述获取CPU的目标调节频率的具体步骤为：
步骤1：设置功能应用的平均频率和峰值频率；
步骤2：设置加权值；
步骤3：通过采样获取CPU在一设定时间内的平均频率；
步骤4：采样当前频率值；
步骤5：根据上述步骤获取的各频率及加权值，计算CPU的目标调节频率值。
在两秒内0.2秒为采样周期，可以很好的反应在CPU利用率的突发性的因素，由于对于特定应用的功能CPU的突发性的变化不是很大，对于在两秒内的CPU的频率足以来表明CPU的状态。通过对上述的CPU频率调节，基本上可使CPU处于设定频率左右进行工作，有效的利用了CPU的工作效能，而不是在一般情况下使计算机CPU多数处于空闲的状态，而浪费能源。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1、一种基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：首先，获取CPU的目标调节频率，然后通过嵌入式操作系统与BIOS的通信实现该CPU目标调节频率的设置。
2、根据权利要求1所述的基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：获取CPU的目标调节频率的具体步骤为：
步骤1：设置功能应用的平均频率和峰值频率；
步骤2：设置加权值；
步骤3：通过采样获取CPU在一设定时间内的平均频率；
步骤4：采样当前频率值；
步骤5：根据上述步骤获取的各频率及加权值，计算CPU的目标调节频率值。
3、根据权利要求2所述的基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：所述的功能应用的平均频率通过将该功能应用时的测试值进行平均计算获得。
4、根据权利要求2所述的基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：所述的功能应用的峰值频率为功能应用时的测试值的峰值。
5、根据权利要求2所述的基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：步骤5计算依据如下的公式：其中，
fm为CPU在一设定时间内的平均频率；
fc为当前采样的CPU的频率；
fa为CPU的额定频率；
fp为功能应用的峰值频率；
f为CPU的目标调节频率；
A为设定的CPU频率的利用率；
λ1为CPU在一设定时间内平均频率的加权系数；
λ2为当前采样的CPU频率的加权系数；
λ3为功能应用平均频率的加权系数；
λ4为功能应用峰值频率的加权系数。
6、根据权利要求2或5所述的基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：所述的CPU的目标调节频率满足如下公式：
0≤f≤M其中，
f为CPU的目标调节频率；
M为频率设置的最大值；并且同时满足M＝fp/A和M≤fa；
fp为CPU功能应用的峰值频率；
A为设定的CPU频率的利用率；
fa为CPU的额定频率。
7、根据权利要求1所述的基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：通过嵌入式操作系统与BIOS的通信实现该CPU目标调节频率的设置的具体方法为：BIOS将收集到CPU频率值，通过动态数据表单传递给嵌入式操作系统，该操作系统再将计算后的目标调节频率值再通过动态数据表单传递给BIOS，BIOS据此对CPU频率进行调节。
8、根据权利要求7所述的基于计算机平台上嵌入系统的CPU频率控制的方法，其特征在于：所述的动态数据表单存放在BIOS与嵌入式操作系统共享的内存空间之中，其至少包括如下信息：标志字符串、CPU当前的频率利用率、CPU需要设置的频率、备注信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |