CN1503101A - 可携式计算机电源管理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种可携式计算机电源管理的方法，当可携式计算机于工作时，通过一监测电路监测可携式计算机的电源消耗情形，并动态地改变可携式计算机中央处理单元(CPU)的电压与频率，更提供复数种电源管理模式，用以调整可携式计算机电力的消耗，以达到管理可携式计算机电源消耗的目的。

Description

可携式计算机电源管理的方法
技术领域
本发明涉及一种管理电源消耗的方法，特别是一种应用于可携式计算机的工作电源的方法。
技术背景
可携式信息处理装置起源于八十年代末期的桌上型计算机(Desktop)，初期的可携式计算机(Notebook)重约5～6公斤，使用单色液晶显示屏，其重量虽轻于桌上型计算机，但是对计算机可携式的理想仍尚有相当差距，在科技不断创新的潮流下，可携式计算机(Notebook)在短短数年内，重量已大幅减轻。
可携式计算机(Notebook)起源于军事用途，因为在战时、军人需要保持高度的移动性，由于以前的可携式计算机(Notebook)有重量及体积的限制，不利于移动，因而军事对信息处理系统提出了可携带、容易架设、容易使用等功能，在军事上有如此要求，于是有了可携式计算机(Notebook)的构思，并延此构想发展至今。
对于现今的可携式计算机(Notebook)，所使用在可携式计算机(Notebook)上的CPU因为其耗电量十分大，再加上成本也较高，是故有许多可携式计算机(Notebook)制造商与生产线都是使用桌上型计算机(Desktop)的CPU加以生产，但也会衍生出相当多的问题，例如：可携式计算机(Notebook)的CPU永远比桌上型计算机(Desktop)的CPU慢3～6个月，而且价格更高。
不过对于可携式计算机(Notebook)的CPU而言，英特尔(Intel)与微软(Microsoft)提供了些很好的电源管理方法，像是高等组态与能源接口(Advanced Configuration and Power Interface；ACPI)与速度级别(Speedstep)，ACPI定义了C0～C5五种状态，越高的等级代表对电源管理的效能越好，但可携式计算机(Notebook)的CPU支持Speedstep及C0～C4的状态，而桌上型计算机(Desktop)的CPU不支持Speedstep而且对于ACPI只支持到C2的状态。
在桌上型计算机(Desktop)P4 2.4GHz/533的CPU光是休眠模式(Idle mode)就要耗费10W的电力，而在使用2.6GHz/2.8GHz的CPU时，在休眠模式(Idle mode)中也最少要耗费超过15W的电力，所以根本无法想象可携式计算机(Notebook)如果要在使用电池模式中，还可以操作2个小时，得需要多少颗的电池。
但是现代社会越来越需要具移动特性的信息处理装置，可携式计算机(Notebook)也不断追求轻薄短小的优势，势必会渐渐地降低其重量，而成为一主流趋势，但因其工作环境并不一定设有电源，所以可携式计算机(Notebook)皆设有一个内接式的电池，可维持工作所须的电力，其电力用来供给显示器、磁盘驱动器、键盘和鼠标等外围设备所需的电力，但电池并不能长久供应可携式计算机(Notebook)所须的电力。
既然在无法补充电力的情形下，也在硬设备中、电池容量上无法突破，如何管理可携式计算机(Notebook)电源0的消耗，实为一尚待解决的技术课题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可携式计算机电源管理的方法，其目的在于，动态地调整可携式计算机(Notebook)的电压与频率，并维持可携式计算机(Notebook)工作的正常，乃是针对中央处理单元的外频(External Clock)与电压，或是内存(Memory)的频率，又或是影像图形接口(Video Graphics Array；VGA)卡中的频率及效能。
本发明提供了一监测机制、一基本的系统架构与复数种电源管理模式，当可携式计算机(Notebook)于工作中，监测电路会监测可携式计算机(Notebook)的电源消耗情形，或是充电转接器(Adapter)与电池(Battery)输出的电流状态，又或是监测中央处理单元使用率(CPUUtilization)的状态，当可携式计算机(Notebook)触发到特定事件时，则藉由本发明的电源管理模式将进行调整，以达到可携式计算机(Notebook)电源管理的目的。
此外，本发明的方法可仿真在桌上型计算机(Desktop)的CPU中，还具有支持Speedstep与C3、C4的状态的功能，让系统先进入C2状态，但C2状态很容易被系统的诸多事件给中断，本发明克服此一缺失，让系统可一保持在C2状态进行修改电压与频率，而不需其它任何的硬件加以辅助便可以达成。
此外，因可携式计算机(Notebook)时常处于非充电中的状态，针对此一特性，系统通常会提出电源管理模式，让可携式计算机(Notebook)处于一种由系统定义转换模式，可以无须一直保持功能最大化的状态，避免造成电力上过度的浪费。本发明利用此种原则下，为了合乎于安全规格上的考量，也会考虑到系统温度、电源等等上的安全规格加以保护，让使用可携式计算机(Notebook)的使用者都能更安心的操作，并可适当的调整可携式计算机(Notebook)的功能设定，以利使用者操作。
根据本发明所揭露的方法，至少包含下列步骤：通过监测机制监测可携式计算机的情形，而强制可携式计算机进入一特定状态，在特定状态下动态修改可携式计算机所需改变的条件，最后可携式计算机离开特定状态。
附图说明
有关本发明的详细内容及技术，以下配合所示附图进行详细说明：
图1为本发明可携式计算机电源管理方法的系统方块图；
图2为本发明可携式计算机电源管理方法中监测机制的电路图；
图3为本发明可携式计算机电源管理方法的流程图；
图4为本发明可携式计算机电源管理方法所提的中央处理单元电源管理的流程图；
图5为本发明可携式计算机电源管理方法的时脉图；及
图6为本发明可携式计算机电源管理方法所提的中央处理单元电源管理分级方法的流程图。
图中符号说明
10  多任务器(Multiplex；MUX)
20  中央处理电源电路单元(CPU Power Circuit)
30  中央处理单元(Central Processing Unit；CPU)
40  核心逻辑单元(Core Logic Unit)
50  键盘控制器(Keyboard Controller)
60  频率产生器(Clock Generator)
70  放大器(Amplifier)
80  电阻(Rsense)
步骤100通过一监测机制监测一可携式计算机的情形
步骤110强制该可携式计算机进入一特定状态
步骤120在该特定状态下动态修改该可携式计算机所需改变的一条件
步骤130该可携式计算机离开该特定状态
步骤200通过一核心监测逻辑单元发出一中断该中央处理单元频率的信号
步骤210该中央处理单元回复一允诺信号至该核心监测逻辑单元
步骤220该核心监测逻辑单元发出一中断该中央处理单元电压的信号
步骤230判一键盘控制器发出一停止处理信号
步骤240该键盘控制器制定一频率产生器并改变该中央处理单元的频率
步骤250通过一电压确认器(Voltage Identification；VID)设定一多工器并改变该中央处理单元的电压
步骤260该键盘控制器便终止该停止处理信号
具体实施方式
本发明为一种可携式计算机电源管理的方法，主要包含两大部分，一是通过本系统动态的调整中央处理单元30的电压及频率，另一则是根据中央处理单元30的负载情形调整中央处理单元30的电源等级。因为主要的目标在于针对可携式计算机使用桌上型中央处理器并支持高等组态与能源接口(Advanced Configuration and PowerInterface；ACPI)所提出的C3及C4状态，进而延长电池的使用时间，于是发展了一种可动态改变中央处理器电压与频率的方法。
在介绍本发明的方法前，先陈述本发明的基本系统，请参照图1为本发明可携式计算机电源管理方法的系统方框图。
就本发明系统而言，包含下列几种单元：
一多任务器10(Multiplex；MUX)，如图所示，可通过电压确认器(Voltage Identification；VID)加以设定，而提供给中央处理电源电路单元20，如：VID(0..4)的设定；而此一电压确认器通过键盘控制器50设定一预设(default)的核心电压(Vcore)加以调整。
一中央处理电源电路单元20(CPU Power Circuit)，处理本系统中核心电源输出管理，而输出至中央处理单元30。
一中央处理单元30(Central Processing Unit；CPU)，处理可携式计算机中算术、逻辑运算，解释每个指令的意义，并可能包含了储存最近常用资料的高速缓存，中央处理单元30同时也控制计算机系统中大部份的组件。
一核心逻辑单元40(Core Logic Unit)，至少能支持(Support)一高等组态与能源接口(Advanced Configuration and Power Interface；ACPI)所提出的C2及C3状态。
一该键盘控制器50(Keyboard Controller)，可存取(Access)系统管理总线(System Management Bus；SM Bus)及可对通用性输出入接脚(General Purpose Input Output；GPIO)进行程序化(Programmable)。
而上述的各个单元间，均通过图中的信号加以沟通与联络。
有了上述的系统后，便可进行调整中央处理单元的电压及频率，但要如何得知何时需要进行调整呢？接下来就针对监测的电路作更进一步的详细说明，请参照图2，为本发明可携式计算机电源管理方法中监测机制的电路图。
此图为最基本的监测机制的电路图，当然也有其它许多的监测方式，但本发明的解决方案在于管理电源的方法，故在此只稍作介绍。
该监测机制所提供的电路包含：一电阻80、一放大器70一键盘控制器50。
电阻80(Sense register)设置在中央处理电源电路单元20，用以感应中央处理单元30负载电流，并传出一电流信号；
放大器(Amplifier)放大在电阻80两端间的电压差(Voltage drop)，当接收到电流信号时，通过一模拟至数字转换器(Analog to DigitalConverter；ADC)转换成一电流信号；及
键盘控制器50(Keyboard Controller)用以辨别监测电路的一电压级数(Voltage level)，此一电压级数当接收电流信号加以计算后得知。运用V＝IR的公式便可算出所消耗的电压，进而加以管理。
接下来开始说明本发明的所有流程，请参照图3，图3为本发明可携式计算机电源管理方法的流程图。
首先通过一监测机制监测一可携式计算机的情形(步骤100)，此一监测机制提供的电路图在图2已做过说明，在此不多加以赘述。步骤100提供了至少一种监测方式加以判别动态修改可携式计算机的时机；此外，监测机制可为一监测充电转接器(Adapter)与电池(Battery)输出的电流状态，也可为一监测中央处理单元使用率(CPU Utilization)的状态，监测的结果若没有异常，则持续保持监测状态；若有异常，那么便会强制该可携式计算机进入一特定状态(步骤110)，此一特定状态可为一在高等组态与能源接口(Advanced Configuration and PowerInterface；ACPI)所提出的C2状态，指该中央处理单元30 STP_GRANDstate，特定状态指可让该中央处理单元停止所有工作运作，并不会被任何事件(event)触发而加以中断(interrupt)的状态，或者特定状态也可以为可携式计算机任何运作的时机点，让系统自行监测并加以动态修改，而步骤110中详细步骤可在第4图再加以详细的说明，接着便在该特定状态下动态修改该可携式计算机所需改变的一条件(步骤120)，与步骤110相同，步骤120中详细步骤也在第4图再加以详细的说明，而此一条件可为可携式计算机中一中央处理单元的频率与电压，频率指中央处理单元的外频(External Clock)；也可为可携式计算机中一影像图形接口(Video Graphics Array；VGA)卡中的频率及效能，或是可携式计算机中一内存(Memory)的频率；当动态的修改完成之后，该可携式计算机离开该特定状态(步骤130)。
然后在请参阅图4，图4为本发明可携式计算机电源管理方法所提的中央处理单元电源管理的流程图，说明如下：
首先通过一核心监测逻辑单元40发出一中断该中央处理单元30频率的信号(步骤200)，而此一中断中央处理单元30频率的信号可为一SB_STPCLK#，当发出信号后，该中央处理单元30回复一允诺信号至该核心监测逻辑单元40(步骤210)，然后，该核心监测逻辑单元40发出一中断该中央处理单元30电压的信号(步骤220)，此一中断该中央处理单元30电压的信号可为一CPU_STP#，然后一键盘控制器50发出一停止处理信号(步骤230)，此一停止处理信号确保中央处理单元30不会被任何系统的中断(interrupt)给唤醒(wake up)，而一直停留在一C2状态，并可为一EC_STPCLK#，接着该键盘控制器50制定一频率产生器60并改变该中央处理单元30的频率(步骤240)，再通过一电压确认器(Voltage Identification；VID)设定一多任务器10并改变该中央处理单元30的电压(步骤250)，当都改变重之后，最后该键盘控制器50便终止该停止处理信号(步骤260)并结束本流程。
上述的频率产生器60可通过系统管理总线(System ManagementBus；SM Bus)程序化(Programmable)1该中央处理单元30(CPU)的频率(clock)，也可通过通用性输出入接脚(General Purpose Input Output；GPIO)程序化(Programmable)中央处理单元30(CPU)的频率(clock)。
然后本发明列举一实施例加以说明上图的流程，请参照图5，为本发明可携式计算机电源管理方法的时脉图，而逐一加以说明。
首先看到图5，在改变中央处理单元30的频率与电压时，得先想办法让中央处理单元30进入C2的状态，然后：
(a)第一步便是设计核心逻辑单元40(Core Logic Unit)，让它发出(issue)一个SB_STPCLK#。
(b)一旦中央处理单元30接受到了SB_STPCLK#，中央处理单元30便会回复一个中断通知信号(Stop grant cycle)，在CPU_BUS中的STPGNT CYCLE。
(c)核心逻辑单元40便会确认中断通知信号(Stop grant cycle)，并发出CPU_STP#的信号通知外部电路(External Circuitry)，中央处理单元30已经进入了C2状态。
(d)一旦核心逻辑单元40发出了CPU_STP#，键盘控制器50(Keyboard Controller)也会接着发出一个EC_STPCLK#的信号；此步骤主要目的在于确保中央处理单元30不会被任何的系统事件(systemevent)给中断(interrupt)，以延长中央处理单元30停留在C2的状态。
(e)此时便可安心的开始调整中央处理单元30的频率与电压，键盘控制器50会通过系统管理总线(System Management Bus；SM Bus)或是通过通用性输出入接脚(General Purpose Input Output；GPIO)开始制定频率产生器60(Clock Generator)以改变中央处理单元30的频率，而电压确认器(Voltage Identification；VID)也开始设定多任务器的电路以改变中央处理单元30的电压。
(f)最后一个步骤，便是键盘控制器50中断EC_STPCLK#此一信号，而中央处理单元30便离开了C2的状态，回到了正常的状态。
而本发明也提出了一种中央处理单元电源管理分级的方法，使用者可直接通过至少一种等级加以调整可携式计算机的电压与频率，在讨论图6之前，我们先定义哪些事件会触发电源管理的分级。
一、可携式计算机使用电池：再使用电池时，绝大多数的使用者都希望能延长电池的使用时间，所以当充电转接器(Adapter)移除时，便可通过本发明的电池模式来达成延长电池使用时间的目的。
二、中央处理单元30负载：中央处理单元30的负载可以像是一个指示器(Indicator)，通知使用者是不是不应该在所有时间内都将中央处理单元30的效能开到最大，而可在低负载时将中央处理单元30的效能加以调整并降低。
三、中央处理单元30在休眠时：中央处理单元30并不是在每个时间都有工作需要处理，微软的窗口(Windows)操作系统便提出一种高等组态与能源接口(Advanced Configuration and Power Interface；ACPI)会通知系统进入休眠状态，在此状态下，系统会强制中央处理单元30节省更多的电源。
四、温度事件：如果当温度状态快要超过可携式计算机的安全规格(所有组件的安全限度)，此时便必须降低中央处理单元30的电源，已确保温度安全的范围。
五、电源事件：如果当电源状态快要超过可携式计算机的安全规格(所有组件的安全限度，如电池、充电插座等)，此时便必须降低中央处理单元30的电源，已确保电源安全的范围。
然后，请参阅图6，图6为本发明可携式计算机电源管理方法所提的中央处理单元电源管理分级方法的流程图，说明如下：
首先CPU第1级电源管理为一充电模式，是指在该模式中的频率为系统最大频率值，而电压为系统最大电压值，此模式在该可携式计算机正使用充电转接器(Adapter)时，而加以触发。
CPU第2级电源管理为一电池模式，是指在该模式中的频率为系统最大频率值*75％，而电压为系统最大电压值*90％，此模式在该可携式计算机通过电池提供电源时，而加以触发。
CPU第3级电源管理为一低负载模式，是指在该模式中的频率为前一种模式频率值得一半，而电压为系统最大电压值*85％，此模式在该中央处理器只需要较低的效能时，而加以触发；例如前述所提的中央处理单元30负载。
CPU第4级电源管理为一休眠模式，是指在该模式中的频率为前一种模式频率值的四分的一，而电压为系统最大电压值*80％，此模式在当系统一段时间未处理任何工作时，而加以触发；例如前述所提的中央处理单元30负载。
CPU第5级电源管理为一紧急模式，是指在该模式中的频率为前一种模式频率值的四分的三，而电压为前一种模式电压值*90％，此模式在当可携式计算机中，快要超过规格(Spec.)的安全要求时，而加以触发；例如前述所提的温度事件或是电源事件等等。
虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些允许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以本申请的权利要求书的范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种可携式计算机电源管理的方法，是应用于一可携式计算机中，通过调整该可携式计算机的频率及电压的方式加以达成，其特征在于，该方法包含有下列步骤：
通过一监测机制监测该可携式计算机的情形；
强制该可携式计算机进入一特定状态；
在该特定状态下动态修改该可携式计算机所需改变的一条件；及
该可携式计算机离开该特定状态。
2.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，该监测机制提供了一种电路，该电路用以监测一中央处理单元的电流，包含：
一电阻(Sense register)设在一中央处理电源电路单元之前，用以感应该中央处理单元的负载电流，并传出一电流信号；
一放大器(Amplifier)放大在该电阻两端间的电压差(Voltagedrop)，当接收到该电流信号时，通过一模拟至数字转换器(Analog toDigital Converter；ADC)，转换成一电流信号；及
一键盘控制器(Keyboard Controller)，用以辨别该监测电路的一电压级数(Voltage level)，该电压级数当接收该电流信号加以计算后得知。
3.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，该监测机制可为一监测充电转接器(Adapter)与电池(Battery)输出的电流状态。
4.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，该监测机制可为一监测中央处理单元使用率(CPU Utilization)的状态。
5.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，该特定状态可为一在高等组态与能源接口(AdvancedConfiguration and Power Interface；ACPI)所提出的C2状态，指该中央处理单元STP_GRAND state。
6.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，该特定状态指可让该中央处理单元停止所有工作运作，并不会被任何事件(event)触发而加以中断(interrupt)的状态。
7.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，该特定状态也可以为该可携式计算机任何运作的时机点。
8.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，将强制该可携式计算机进入一特定状态的步骤，更包含下列步骤：
通过一核心监测逻辑单元发出一中断该中央处理单元频率的信号；
该中央处理单元回复一允诺信号至该核心监测逻辑单元；
该核心监测逻辑单元发出一中断该中央处理单元电压的信号；
一键盘控制器发出一停止处理信号。
9.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，该条件可从该可携式计算机中一中央处理单元的频率与电压、该可携式计算机中一内存(Memory)的频率及该可携式计算机中一影像图形接口(Video Graphics Array；VGA)卡中的频率及效能的组合中任意择一。
10.如权利要求1所述的可携式计算机电源管理的方法，其特征在于，在该特定状态下动态修改该可携式计算机所需改变的一条件的步骤，更包含下列步骤：
一键盘控制器制定一频率产生器并改变该中央处理单元的频率；及
通过一电压确认器(Voltage Identification；VID)设定一多任务器并改变该中央处理单元的电压。
11.一种中央处理单元电源管理的方法，该方法应用于一可携式计算机中，其特征在于，该方法包含有下列步骤：
通过一核心监测逻辑单元发出一中断该中央处理单元频率的信号；
该中央处理单元回复一允诺信号至该核心监测逻辑单元；
该核心监测逻辑单元发出一中断该中央处理单元电压的信号；
一键盘控制器发出一停止处理信号；
该键盘控制器制定一频率产生器并改变该中央处理单元的频率；
通过一电压确认器(Voltage Identification；VID)设定一多任务器并改变该中央处理单元的电压；及
该键盘控制器便终止该停止处理信号。
12.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该核心监测逻辑单元至少能支持(Support)一高等组态与能源接口(Advanced Configuration and Power Interface；ACPI)所提出的C2及C3状态。
13.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该中断该中央处理单元频率的信号可为一SB_STPCLK#。
14.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该中断该中央处理单元电压的信号可为一CPU_STP#。
15.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该停止处理信号确保该中央处理单元不会被任何系统的中断(interrupt)给唤醒(wake up)，而一直停留在一C2状态，并可为一EC_STPCLK#。
16.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该键盘控制器可存取(Access)系统管理总线(SystemManagement Bus；SM Bus)及可对通用性输出入接脚(General PurposeInput Output；GPIO)进行程序化(Programmable)。
17.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该频率产生器可通过系统管理总线(System Management Bus；SM Bus)程序化(Programmable)该中央处理单元(CPU)的频率(clock)。
18.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该频率产生器可通过通用性输出入接脚(General Purpose InputOutput；GPIO)程序化(Programmable)该中央处理单元(CPU)的频率(clock)。
19.如权利要求11所述的中央处理单元电源管理的方法，其特征在于，该电压确认器通过该键盘控制器设定一预设(default)的核心电压(Vcore)加以调整。
20.一种中央处理单元(CPU)电源管理的分级方法，应用于一可携式计算机中，而使用者可直接通过至少一种等级加以调整该可携式计算机的电压与频率，其特征在于，该分级方法提供下列五种模式：
一充电模式，指该可携式计算机正使用充电转接器(Adapter)时，而加以触发；
一电池模式，指在该可携式计算机通过电池提供电源时，而加以触发；
一低负载模式，指该中央处理器只需要较低的效能时，而加以触发；
一休眠模式，指当系统一段时间未处理任何工作时，而加以触发；
一紧急模式，指当可携式计算机中，快要超过规格(Spec.)的安全要求时，而加以触发。
其中上述的五种模式，彼此间可相互任意切换，以确保电源安全管理的效。
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