CN1701297A - 为处理器提供供应电压的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

对于本发明的一个实施例，处理器可包括一个或多个集成电压调节器，其由外部电压调节器供电并向处理器生成一个或多个本地供应电压。所述一个或多个本地供应电压可被设置成使得由所述(多个)本地供应电压供电的一个或多个电路可满足某种定时需求。所述(多个)本地供应电压可由所述处理器根据功率管理策略来调整。

Description

为处理器提供供应电压的方法和装置
技术领域
本发明涉及计算机系统，更具体地说，涉及控制一个或多个供应电压，以向集成电路中的一个或多个电路供电，所述集成电路例如是处理器。
背景技术
计算机系统在我们的社会中正变得越来越普及，从小型的手持电子设备例如个人数据助理和蜂窝电话，到专用电子元件例如机顶盒及其它消费类电子产品，到中型的移动和桌面系统，一直到大型工作站和服务器，简直无所不包。计算机系统一般包括一个或多个处理器。处理器用于操纵和控制计算机中的数据流。为了向消费者提供更强大的计算机系统，处理器的设计者们一直在努力提高处理器的运行速度。不幸的是，随着处理器速度的提高，处理器所消耗的功率也增大了。通常来说，计算机系统耗用的功率受到两个因素的限制。第一点，当功耗增大时，计算机会逐渐变热，从而导致散热问题。第二点，计算机系统所消耗的功率可能加重用来支撑系统工作的电源的负荷极限，从而减少了移动系统中的电池的寿命，增加了大型系统的开销，同时降低了可靠性。
本发明就是要解决现有技术中存在的这一问题及其它问题。
附图说明
在附图中以示例的方式而非限制的方式图示了本发明，其中相同的标号代表相似的元件，其中：
图1包括根据本发明的实施例而构成的计算机系统；
图2A包括根据本发明的实施例而构成的处理器；
图2B包括根据本发明另一个实施例而构成的处理器；
图2C包括根据本发明另一个实施例而构成的处理器；
图3A包括根据本发明的实施例而构成的电路；
图3B包括根据本发明另一个实施例而构成的电路；并且
图4包括示出了本发明的一种方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，处理器可包括其中包含一个或多个运算放大器的模拟电路。对于本发明的一个实施例，所述运算放大器可以具有差动结构，其包括耦合到供应电压Vcc的输入端，所述供应电压Vcc由外部电压调节器提供。按照这种方式，运算放大器可以是电压传感器的一部分，其输出是表示所述供应电压高于或低于目标值的控制信号。这一目标值可以由处理器根据功率管理策略来调整。所述控制信号可被提供给所述外部电压调节器以相应地调整所述供应电压。
对于本发明的这个及另一个实施例，运算放大器可以构成集成电压调节器的一部分，所述运算放大器由外部电压调节器供电，并为处理器生成本地供应电压。这一本地供应电压可被设置成使得由该本地供应电压供电的电路可满足某种定时需求。本地供应电压可由处理器根据功率管理策略来调整。根据本发明的一个实施例，处理器可包括生成多个本地供应电压的多个集成电压调节器。每个本地供应电压都可被独立地调整，以使得对应的电路可满足定时需求并用于功率管理。
下面将给出对本发明实施例的更详细的描述，包括各种配置和实施方案。
图1包括了可根据本发明的实施例而构成的计算机系统。如图所示，该计算机系统可包括耦合到集线器110的处理器100。处理器100可以由来自电压调节器150的一个或多个电压供电。处理器100可通过集线器110而与图形控制器105、主存储器115和集线器125通信。集线器125可将外围设备120、存储设备130、音频设备135、视频设备145和桥接器140耦合到集线器110。桥接器140可将集线器125耦合到一个或多个附加总线，所述附加总线耦合到一个或多个附加的外围设备。注意，根据本发明的另一个实施例，与图1所示的计算机系统相比，计算机系统可包括更多或更少的组件。还应注意，可以另外的方式来划分图1的组件。例如，可将多个组件集成为单个组件，而单个组件可被划分成多个组件。
对于本发明的一个实施例，电压调节器150是离散电压调节器，其位于图1的处理器100的外部。电压调节器150可只是向处理器100提供一个或多个供应电压，或者除此之外还向计算机系统的其他组件提供一个或多个供应电压。另外，还可以有一个或多个附加的电压调节器向处理器100提供一个或多个附加的供应电压。注意，术语“Vcc”在此可用来表示供应电压。
尽管在此是结合处理器来描述本发明的实施例，但是应该注意，本发明的实施例也可以在其他组件中实现。因此，为了方便起见，术语“处理器”在此不仅可以用来表示处理器(例如中央或多处理单元、数字信号处理器、微控制器等等)，也可以用来表示集线器(例如桥接器、芯片组等)或控制器(例如图形控制器、存储器控制器等等)。
根据本发明的一个实施例，图1的处理器100和电压调节器150可被实现为图2A的处理器200和电压调节器205。电压调节器205通过一个或多个电压/电源供应线路向处理器200提供供应电压Vcc，所述线路将电压调节器205耦合到处理器200的一个或多个供应电压输入端口。这一Vcc可被传递到处理器200的各个电路以向这些电路提供电源。另外，处理器200包括电压传感器201，其耦合到处理器200的一个或多个供应电压输入端口以接收Vcc。电压传感器201监视从电压调节器接收的Vcc，并响应于此而提供一个信号，表示供应电压是否高于或低于目标值。该控制信号可以通过一个或多个控制信号线路而回送到电压调节器205，所述线路将处理器200的一个或多个控制信号端口耦合到电压调节器205。
基于来自图2A的电压传感器201的控制信号，电压调节器205可调高或调低Vcc以达到电压传感器所测量的目标值。在正常工作(例如当处理器处于执行指令的清醒/活动状态中时)期间，Vcc可被设置为一个目标值，该值使得处理器或其一部分在给定频率下可满足某种定时需求。这一目标值可由处理器根据功率管理策略来调整。例如，当处理器处于睡眠/惰性状态时，处理器可以减小目标值。另一个示例是，可响应于处理器的工作频率的改变来调整目标值。
与将电压传感器与图2A的电压调节器205集成在一起相比，通过将电压传感器201包含在处理器200所在的集成电路上，作为其一部分，这样可改进Vcc监视的精确度。这一精确度改进的原因之一在于，例如由于电压调节器和处理器之间的电压/电源供应线路的变动，因而在处理器处而非电压调节器处监视供应电压可减小Vcc的变动。改进的Vcc监视精确度可以提高实现更紧凑的Vcc设计边际(design margin)的能力。更紧凑的Vcc设计边际可导致Vcc的减小，因而减少了处理器所消耗的整体功率。
可以使用一个或多个运算放大器、比较器或开关调节器来设计图2A的电压传感器201，上述器件可包括与处理器200的数字电路集成在同一半导体衬底(即作为单片集成电路)上的模拟电路。电压传感器201的运算放大器可被设计为具有差动结构或比较器结构，例如图3A的电路，下面将更详细地描述。根据本发明的一个实施例，可将多个电压传感器与处理器集成在同一半导体衬底上。
根据本发明的一个实施例，图1的处理器100和电压调节器150可被实现为图2B的处理器210和电压传感器215。电压传感器215通过一个或多个电压/电源供应线路向处理器210提供供应电压，所述线路将电压传感器215耦合到处理器210的一个或多个供应电压输入端口。处理器210包括本地电压调节器211，其耦合到处理器210的一个或多个供应电压输入端口以接收Vcc(全局)。电压调节器211可由Vcc(全局)供电，并向处理器提供本地供应电压Vcc(本地)。这一Vcc(本地)可被传递到处理器210的各个电路以向这些电路供电。另外，Vcc(全局)也可被传递到处理器210的各个电路以向这些电路供电。例如，Vcc(本地)可用来向处理器210的核心的全部或一部分供电，而Vcc(全局)可用来向处理器210的输入/输出环的全部或一部分供电。根据本发明的一个实施例，Vcc(本地)可小于Vcc(全局)。
图2B的电压调节器211所提供的本地供应电压Vcc(本地)可由控制电压调节器211的处理器210所调整。在正常工作(例如当处理器处于执行指令的清醒/活动状态中时)期间，Vcc(本地)可被设置为一个目标值，该值使得处理器或其一部分在给定频率下可满足某种定时需求。此值可由处理器根据功率管理策略来调整。例如，当处理器处于睡眠/惰性状态时，处理器可以减小Vcc(本地)。另一个示例是，可响应于处理器的工作频率的改变来调整Vcc(本地)。
通过将电压调节器211包含为与处理器210相同的集成电路的一部分，可以将两个或更多的不同的供应电压输送给处理器的各个电路。通过向处理器210提供具有不同电压电平的不同供应电压，每个供应电压都可以针对于它所供电的电路而被单独地调节，因而减小了处理器所消耗的整体功率。
可以使用一个或多个运算放大器、比较器或开关调节器来设计图2B的电压传感器211，所述设计元件可包括与处理器210的数字电路集成在同一半导体衬底上的模拟电路。可如下结合图3B的描述来设计电压调节器211的运算放大器。根据本发明的一个实施例，多个电压调节器可与处理器集成在同一半导体衬底上。对于本发明的另一个实施例，一个或多个电压调节器可与一个或多个电压传感器集成在与处理器相同的半导体衬底上。
根据本发明的一个实施例，图1的处理器100和电压调节器150可实现为图2C的处理器250和电压调节器270。电压调节器270通过一个或多个电压/电源供应线路向处理器250提供供应电压Vcc(全局)，所述线路将电压调节器270耦合到处理器250的一个或多个供应电压输入端口。处理器250包括全局电源网格280，其耦合到处理器250的一个或多个供应电压输入端口以接收Vcc(全局)。全局电源网格280可将Vcc(全局)传递到整个处理器，尤其是多个本地电压调节器251-254。
图2C的每一个本地电压调节器251-254都可由Vcc(全局)通过全局电源网格280供电，每一个都向处理器提供本地供应电压Vcc(本地)。每个Vcc(本地)都可通过本地电源网格传递到处理器250的电路以向该电路供电。例如，本地电压调节器251就是由Vcc(全局)通过全局电源网格280供电，并通过本地电源网格285向电路261提供Vcc(本地)以向该电路供电。类似地，本地电压调节器252-254由Vcc(全局)通过全局电源网格280供电，并分别通过本地电源网格286-288向电路262-264提供独立的本地供应电压以向所述电路供电。
图2C的每个本地电压调节器251-254所提供的每个本地供应电压都可由处理器250独立地调整。在正常工作(例如当相关的电路活动时)期间，每个Vcc(本地)都可被设置为一个值，该值使得该相关电路或其一部分可在给定频率上满足某种定时需求。这些值可由处理器根据功率管理策略来调整。例如，当本地电压调节器供电的电路不活动时，处理器可减小该本地电压调节器所提供的本地供应电压。另外还可响应于处理器的工作频率的变动而调整本地供应电压。
作为一个示例，由本地电压调节器(例如本地电压调节器251)提供的本地供应电压所供电的电路(例如图2C的电路261)可以是处理器的分支预测单元。当分支预测单元活动时(例如当该单元正在处理分支指令时)，给该分支预测单元供电的本地供应电压可被设置为一个值，该值使得该单元在工作频率上可满足最低的定时需求。当分支预测单元不活动时(例如在分支指令之间)，可减小本地供应电压。类似地，由本地电压调节器(例如本地电压调节器252)所提供的本地供应电压供电的另一个电路(例如电路262)可以是处理器的浮点单元。当该浮点单元活动时(例如当该单元正在处理浮点指令时)，给该浮点单元供电的本地供应电压可被设置为一个值，该值使得该单元在工作频率上可满足最低的定时需求。当该浮点单元不活动时(例如在浮点指令之间)，可减小本地供应电压。
按照这种方式，本地电压调节器可以向处理器的不同电路提供具有不同电压电平的本地供应电压。每个本地供应电压都可针对其所供电的电路而被单独地调节。例如，与向不太关键的较低性能的电路供电的本地供应电压相比，向关键的高性能电路供电的本地供应电压可被设置为较高的电压。这可使得两个电路都可以凭借对于每个电路分别都是合适的最低(或接近最低)本地供应电压来满足它们的定时需求。从而可以减小处理器所消耗的整体功率。
对于本发明的另一个实施例，电路261-264可以是电路2C的处理器250的任意其他功能单元或其他电路。对于一个实施例，电路261-264中的一个或多个电路可以是一个或多个处理器核心或存储区域例如缓存的全部或一部分。另外，根据本发明的实施例，处理器可包括任意数量的本地电压调节器，每个电压调节器都提供Vcc(本地)以向处理器的任意数量的电路供电。
可以使用一个或多个运算放大器、比较器或开关调节器来设计图2C的电压调节器251-254，上述器件可包括与处理器250的数字电路集成在同一半导体衬底上的模拟电路。可如下结合图3B的描述来设计电压调节器251-254的运算放大器。
图3A包括根据本发明的实施例而构成的具有差动结构的运算放大器。运算放大器300的输出325通过电阻器315反馈到运算放大器的反相输入端，而输入电压320通过电阻器310提供给运算放大器的反相输入端。输入电压330通过电阻器335提供给运算放大器300的非反相输入端，而运算放大器的非反相输入端通过电阻器340耦合到地(或Vss)。电阻器310、315、335和340是数字化的电阻器，其电阻可由输入到控制寄存器305(可实现为单个或多个寄存器)中的值来设置。可与图3A的电路集成在一起的处理器可设置控制寄存器305中的值来控制325处的输出。
根据本发明的实施例(其中图3A的电路被用作为电压传感器)，可以提供一个稳定的参考电压Vref作为输入电压320。Vcc(或者所感知的电压)可提供为输入电压330，而在输出端325处提供所述控制信号。电阻器315的电阻可被保持为与电阻器340的电阻相等，而电阻器310的电阻可被保持为与电阻器335的电阻相等。在这些条件下，输出端325处提供的控制信号可由公式315/310×(Vcc-Vref)确定，其中315和310分别是电阻器315和310的电阻。
图3B包括了根据本发明的实施例而构成的电路。运算放大器350的输出360通过电阻器375而反馈到运算放大器的反相输入端，而运算放大器的反相输入端通过电阻器370耦合到地(或Vss)。输入电压365被提供给运算放大器370的非反相输入端。提供了供应电压355向该电路供电。电阻器370和375是数字化电阻器，其阻抗可由输入到控制寄存器380(可实现为单个或多个寄存器)中的值来设置。可与图3B的电路集成在一起的处理器可设置控制寄存器380中的值来控制360处的输出。
根据本发明的实施例(其中图3B的电路被用作为本地电压调节器)，可以提供一个稳定的参考电压Vref作为输入电压365。Vcc(全局)可被提供为输入电压355，而在输出端360处提供Vcc(本地)。输出端360处的Vcc(本地)可由公式Vref×(1+375/370)确定，其中375和370分别是电阻器375和370的电阻。
根据本发明的一个实施例，处理器的一个或多个电压调节器可包括上述一个或多个运算放大器，以提供一个或多个本地供应电压。或者，处理器的一个或多个电压调节器可在一个或多个运算放大器之外还包括一个或多个比较器或开关调节器，或者可单独包括这些器件。对于本发明的一个实施例，Vcc(本地)可比Vcc(全局)低。对于另一个实施例，Vcc(本地)可比Vcc(全局)高。对于本发明的一个实施例，可以使用开关作为传递元件以向电压调节器提供电流，以例如有助于减小调节器的大小。
图4包括了示出本发明的一种方法的流程图。如在步骤405处所示，可以从外部的离散电压调节器向处理器的全局电源网格提供全局供应电压Vcc(全局)。在步骤410，向第一本地电源网格提供第一本地供应电压Vcc(本地)，以向处理器的第一电路供电。这个第一Vcc(本地)被设置得足够高，以使得第一电路可满足某种定时需求。在步骤415，向第二本地电源网格提供第二本地供应电压Vcc(本地)，以向处理器的第二电路供电。这个第二Vcc(本地)被设置得足够高，以使得第二电路可满足某种定时需求。注意，第一和第二本地供应电压可被设置成不同值，并可彼此独立地调整。
在图4的步骤420处，确定第一电路是否不活动。如果第一电路不活动，则在步骤425减小提供给第一电路的本地供应电压。然后，在步骤430确定第二电路是否不活动。如果第二电路不活动，则在步骤435减小向第二电路提供的本地供应电压。
已参考具体的示例性实施例描述了本发明。然而，对阅读这一发明公开的人来说，很明显可对这些实施例做出各种修改和变动，而不会偏离本发明更宽的精神和范围。因此，本说明书和附图应被看作是说明性的而非限制性的。

Claims (18)

1.一种处理器，包括：
由第一电压供电并提供第二电压的电压调节器；以及
由所述第二电压供电的电路。
2.如权利要求1所述的处理器，其中，所述第二电压可由所述处理器调整。
3.如权利要求2所述的处理器，其中，所述电压调节器包括由所述处理器设置的数字化电阻器。
4.如权利要求1所述的处理器，其中，所述第二电压被设置成使得所述电路可满足某种定时需求。
5.如权利要求1所述的处理器，还包括一个端口，用于从外部电压调节器接收所述第一电压。
6.如权利要求1所述的处理器，其中，所述电压调节器包括运算放大器。
7.如权利要求6所述的处理器，其中，所述电路是数字电路。
8.如权利要求1所述的处理器，其中，所述电路包括所述处理器的核心的至少一部分。
9.如权利要求1所述的处理器，其中，所述电路包括存储器区域。
10.如权利要求9所述的处理器，其中，所述存储器区域是缓存。
11.一种计算机系统，包括：
离散电压调节器，用于提供全局Vcc；以及
处理器，其包括由所述全局Vcc供电、并向所述处理器提供本地Vcc的本地电压调节器。
12.如权利要求11所述的计算机系统，其中，所述本地Vcc可由所述处理器调整。
13.如权利要求12所述的计算机系统，其中，所述本地电压调节器包括由所述处理器设置的数字化电阻器。
14.如权利要求11所述的计算机系统，其中，所述处理器包括由所述本地Vcc供电的缓存。
15.如权利要求11所述的计算机系统，其中，所述处理器是图形控制器。
16.一种方法，包括：
向包括集成电压调节器的处理器提供第一电压；
以所述第一电压向所述电压调节器供电，所述电压调节器提供第二电压；以及
以所述第二电压向所述处理器的至少一部分供电。
17.如权利要求16所述的方法，还包括由所述处理器调整所述第二电压。
18.如权利要求16所述的方法，其中，向所述处理器的至少一部分供电包括向所述处理器的浮点单元供电。
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