CN1705297B - 一种用于改变计算系统的功耗的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种方法，该方法为了改变计算系统中由计算系统的组件共享的资源的运行状态，使得所述计算系统的功耗被改变，在所述计算系统内，通过基于分组网络中的一个或多个节点跳来发送分组。所述分组包含关于所述功耗改变的信息。

Description

一种用于改变计算系统的功耗的方法和装置

技术领域

本发明的领域一般地涉及计算系统；更具体地说，涉及用于控制计算机系统功率模式的分组交换。 

背景技术

计算系统包括可以共享计算系统内某一资源的多个组件。例如参考图1，其中示出的多处理器计算系统有四个处理器101₁-101₄。用相同的时钟源102为每个处理器提供时钟脉冲。在这种情形中，处理器101₁-101₄是“计算系统组件”，而时钟源102是共享资源。 

功率管理已经变成了日益重要的计算系统特征。功率管理是计算系统的一个功能方面，其致力于根据计算系统的使用情况来调节其功耗。例如，因为随着时钟速度提高，已经被用于实现大规模集成半导体芯片的传统技术(被称为互补MOSFET或“CMOS”的技术)增加了其功耗，所以现有技术的处理器此前已经被设计来根据处理需求调节它们的时钟速度。就是说，当加在处理器上的处理需求降低时，处理器就使其时钟降低频率；而当加在处理器上的处理需求增加时，处理器就使其时钟增加频率。 

当共享例如时钟源102的资源时，因为存在着依存关系，所以改变共享资源的运行状态来控制功耗变得复杂了。就是说，以图1的电路为例，如果处理器101₂由于已经遇到了处理需求降低，所以想要降低时钟源102的频率，那么应当在处理器当中交换某种形式的检测结果，并且无论由何种集中式实体或分布式实体来控制时钟源102的频率，都要保证时钟源102的频率变化不会不利地影响到其它处理器的性能。 

此外，功率控制特性已经是相对独立的功能，只涉及集成在相同物理平台(例如相同的PC板和/或机箱)上的几个组件(例如单个处理器、芯片组等)。因此，功率控制特性传统上已经是一种仅仅用非常简单的电路 (例如被设计到物理平台中的导电信号线，其唯一的目的是传输功率控制相关信息)实现的“低层”功能。 

分布式和/或可扩展计算系统的出现向这些传统提出了挑战。具体地说，分布式计算(其是具有多个组件的计算系统的实现，这些组件分布于被网络互连的不同物理平台和/或分布于不同的时钟域)带来了这种可能性，即共享响应于计算系统的使用情况来调节其运行状态的资源的组件可能驻留在不同的物理平台上。此外，关于上面讨论的用于实现共享资源的运行状态改变的组件间通信交换，可扩展性的概念带来的问题是：如果组件数目超过某一最大阈值，那么这些交换可能无法实现。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种方法，该方法为了改变计算系统中由所述计算系统的组件共享的资源的运行状态，使得所述计算系统的功耗被改变：在所述计算系统内，通过基于分组网络中的一个或多个节点跳来发送分组，所述分组包含关于所述功耗改变的信息。 

根据本发明的另一方面，提供了一种包括用在计算系统中的组件在内的半导体芯片，其包括从以下组中选出的电路，该组包括：状态机；控制器；和处理器，所述电路被耦合到媒体访问层电路，所述电路及所述媒体访问层电路准备分组以在所述计算系统内，通过基于分组网络中的一个或多个节点跳进行发送，所述分组包含关于为了改变所述计算系统的功耗而进行的所述计算系统的资源运行状态改变的信息，所述资源由所述计算系统中的所述组件及其它组件共享。 

根据本发明的另外一方面，还提供了一种计算系统，该计算系统包括：包括用在计算系统中的组件在内的半导体芯片，所述半导体芯片包括从以下组中选出的电路，该组包括：状态机；控制器；和处理器，所述电路被耦合到媒体访问层电路，所述电路及所述媒体访问层电路准备分组以在所述计算系统内，通过基于分组网络中的一个或多个节点跳进行发送，所述分组包含关于为了改变所述计算系统的功耗而进行的所述计算系统的资源运行状态改变的信息，所述资源由所述计算系统中的所述组件及其它 组件共享；以及连接到铜缆的线缆连接器，所述铜缆是一种在所述分组网络中经由所述媒体访问层电路通过其传输分组的物理线。 

附图说明

在附图中以示例而非限制的方式说明了本发明，其中相同的标号表示相似的元件，其中： 

图1示出了共享时钟源的处理器； 

图2示出了一个计算系统中共享该计算系统的某种资源的多个组件，其中所述多个组件通过分组网络互连； 

图3a及图3b示出了不同的基于分组网络的拓扑，其用于传输用以调节计算系统功耗的控制信息； 

图4示出了共享资源的一个实施例，其中所述共享资源的运行状态是通过一个与计算系统的其它组件共享所述共享资源的计算系统组件来控制的； 

图5示出了控制其自身运行状态的共享资源； 

图6示出一个过程，用于根据通过基于分组网络进行通信的计算系统组件之间的功耗考虑，来控制共享资源的运行状态； 

图7示出了图6的方法的一个实施例； 

图8示出了一个分布式计算系统中共享该分布式计算系统的某种资源的多个组件，其中所述多个组件通过分组网络互连。 

具体实施方式

图2示出了来自计算系统的组件201₁到201₄，所述组件共享计算系统201₁到201₄的资源202；其中，至少为了交换功率管理分组(即，包含用于实现计算系统的功率管理功能的信息在内的分组)的目的而通过分组网络203来互连组件201₁到201₄，以便可以根据计算系统的使用情况来调节共享资源202的运行状态。 

如下面更加详细的描述，这里基于分组的网络203被理解为包括多个节点；使得至少对于某些在许多入口点的任何之一处被发送到网络中的分 组，在其穿过网络到达适当的网络出口点的过程中，将在所述入口点与出口点之间经历一次或多次“节点跳(nodal hop)”。在关于公共物理平台实现及非公共物理平台实现的许多方面中，这种基于分组的网络203是有重要意义的。简单起见，本申请将上述基于分组的网络简称为“网络”。 

公共物理平台实现是那些网络203驻留在相同的PC板或在单个机箱中的实现方式。非公共物理平台实现是那些网络203将来自不同物理平台(例如跨不同机箱)的组件耦合在一起的实现方式。就是说，例如组件201₁到201₄中的每一个都是不同物理平台的一部分。机箱是里面包围着一个或多个PC板并且有自己的电源的完整“盒体”。机箱的其它特征包括由机箱收容的、具有自己的用于产生时钟信号的晶体振荡器的电路(除了那些设计为依靠从机箱(例如设计为运行在“网络时钟”上的时分复用(TDM)连网盒所用的机箱)外提供的时钟来运行的电路之外)。 

对于网络203驻留在公共物理平台上/中的实现方式，可被设计来共享公共资源202的组件的数目可以增加，而几乎不用担心到达功率管理功能的某个上限这利实际问题。对于网络203耦合不同物理平台的实现方式，因为网络203易于被设计为所具有的带宽可支持非常重要的操作，例如在计算系统组件间传递指令和/或数据，所以可被设计来共享公共资源202的组件的数目也可以增加。 

在讨论图3a和图3b中的一些可能的网络拓扑之前，有必要注意图2的一些其它方面。首先，虽然示出了四个组件201₁到201₄，但是应当理解，也可以设置多于或少于四个组件来共享计算系统中的资源。其次，从计算系统的体系结构的角度看，组件是计算系统中具有特定功能的部分。因此组件可以包括但不限于：处理器、存储器、存储器控制器、缓存、缓存控制器、图形控制器、I/O控制器、I/O设备(例如硬盘驱动器、网络接口)、存储子系统等。组件也可以是各种组件的组合(例如集成的存储控制器与处理器)。 

资源是计算系统的任何功能部分，例如一个组件或某个其它功能部分(例如时钟源、电源等)等。共享资源是由一个以上的组件使用的资源。注意，图2中包括了公共物理平台和非公共物理平台两种实现方式；并 且，分布式计算系统一般包括驻留在不同物理平台和/或不同时钟域上的多个组件。就是说，分布式计算一般实现各种具有自身物理平台的计算系统组件，并且用基于分组的网络将其互连；和/或实现各种在其自身时钟域内的计算系统组件，并且用基于分组的网络将它们互连起来。 

上述基于分组的网络203是设计来传输分组并且具有多个节点的网络；其中，至少对于某些在许多入口点的任何之一处被发送到网络中的分组，在其穿过网络到达适当的网络出口点的过程中，将在所述入口点与出口点之间经历一次或多次“节点跳”。分组是具有头部与负载的数据结构；其中，头部包括“路由信息”，例如分组的源地址和/或目的地地址；和/或连接标识符，其标识出有效地存在于网络中用来传输分组的连接。注意，虽然通常把分组看作“作为单个单元”沿着单个链路流动的“物理连接的”数据结构，但是分组数据结构在传播到网络中、在网络内传播和/或从网络向外传播时，其各个组成部分可能被物理地分离(例如，由第一链路来传送头部信息，由第二链路来传送负载信息)。 

参考图4、图5及图6更加详细地讨论在计算系统组件间可能的功率管理分组交换。 

图3a和图3b示出了可以组成分组网络203的多种网络拓扑。图3a示出了标准多节点拓扑。图3b示出了环形拓扑。这里，应当理解可以用图3a和图3b的网络拓扑的任何一种或多利来构建任何分组网络203的单个实例(例如，分组网络203的单个实例可以将具有标准拓扑的第一组组件与具有环形拓扑的第二组组件连接起来)。 

图3a示出了标准的基于分组网络303₁。标准的基于分组网络常常被看作节点310₁-310₅的自组织(ad hoc)集合，这些节点中的至少某些节点通过另一个节点间接地彼此连接。节点跳是间接连接的一种表达方式(artifact)。例如，由组件301A发送到网络中、并将由组件301B接收的分组，将具有跨越节点310₂、310₃和310₅而形成的包括三个节点跳的“最短路径”(因为节点310₂和310₅通过310₃而间接连接)。重要的是，网络节点310自身也可以是计算系统的组件(即除了执行计算系统组件的任务外，它们还执行路由/交换任务)。 

运行中，分组可以通过从节点“跳”到节点，沿着最终通向目的地点/出口点的路径穿过网络(从网络入口点/源点到网络出口点/目的地点)。一旦在节点处被接收到，分组的头部一般会被分析，而它的负载和更新的(或者在某些情形中没有改变的)头部信息一起沿着路径被转发到下一节点。 

在典型的实现方式中，节点自身嵌入有“路由协议”，其使得节点能够对于任何源/目的地组合来自行确定适当的穿过网络的节点到节点的路径。在本领域中路由协议是公知的，并且一般用在处理器上运行的软件实现。但是，执行路由协议需要的功能可以全部或部分用专用逻辑电路实现。 

图3b示出了环形拓扑网络303₂。适当大小的环(具有单向环的三个或更多节点；或者具有双向环的四个或更多节点)也可以有一个或多个在该环形网络中的节点跳。例如，从节点301C发送到节点301E的分组，将根据该分组被发送的方向，要么在节点301D，要么在301F处经过一个节点跳。随着网络大小的扩展，环形拓扑网络(也是一种标准的基于分组网络)至少可以拥有这样一条路径，该路径在作为进入网络中的路径入口点与离开所述网络的路径出口点之间具有至少一个节点跳。 

环形拓扑网络常常使用“令牌方案”来控制网络的使用。就是说，沿着网络传递令牌。如果一个组件希望向另一个组件发送分组，那么它就抓住令牌。这里，分组由发送组件释放到环上。分组沿着环传输。当该分组抵达目的地组件时，目的地组件从分组的头部中识别出其地址为目的地地址，并且作为响应，正式地接受该分组。当不再使用环时，发送组件将令牌释放回环上。环可以是单向的或双向的。 

因为可以容易地扩展为有任意数目的组件及共享资源，所以环形拓扑网络可以用于相同的物理平台实现。就是说，例如第一计算系统可以被设计为只有两个共享某一资源的组件的环，第二计算系统可以被设计为有五个组件的环，第三计算系统可以被设计为有十个组件的环，等等；其中，在所有三个计算系统的每一个组件中使用相同的软件/电路。此外，单个环可以支持多个共享不同资源的组件群。就是说，共享第一资源的第一组组 件与共享第二资源的第二组组件可以都被耦合到相同计算系统中的同一个环上。 

多物理平台的分布式计算系统可被设计来使用在该分布式计算系统中传输指令、数据和其它事务的网络。就是说，作为计算系统的功率管理控制的一部分而发送的分组所使用的网络，与分布式计算系统用来传输指令、传输数据、请求特定的事务(例如读、写等)、确认特定的事务已经被执行等的网络是相同的。 

在另一个实施例中，分布式计算系统的下层网络包括至少一个被组织到多个不同通道中的虚拟网络；其中，假设每一通道类型只传输具有与该通道类型相对应的分类的分组。就是说，基于所包含的内容的类别对分组分类；并且，针对存在的分组种类的每一种，将一个独特的通道有效地设计到网络中(即，第一通道用于传输第一分类的分组，第二通道用于传输第二分类的分组等)。这里，可以将功率管理分组分配到某一类别，并且因此沿着为该特定的类别分配的通道传输。 

转回来参考图2，注意至少给出了两种集中式功率管理控制的形式。集中式功率管理控制是一种在单个位置作出最后决定的体系结构，尽管所做出的决定可以基于从共享相同资源的其它位置发送来的信息。图2显示出，在为了调节计算系统的功耗而控制共享资源202的运行状态方面，控制点可以存在于组件201₄或共享资源202自身。如果控制点存在于组件201₄处，那么使用控制线204来控制共享资源202的运行状态。如果控制点存在于共享资源202自身处，那么该共享资源应当被连接到基于分组网络203。 

前者(控制点在组件201₄处)的一个例子是，共享资源202是一个缓存，并且计算系统组件201₁到201₄中的每一个都是从/向该缓存202读/写有数据值的缓存线的处理器；其中，缓存202是处理器201₄的本地缓存。这里，处理器201₄可以是控制点，该控制点具有根据计算系统的使用情况，决定缓存202应当处于何种运行状态中的电路和/或软件。后者的例子是，缓存202自身具有用于做出这种决定的电路和/或软件。 

图4和图5表示了一些关于在计算系统中通过分组网络交换功率管理 分组的可能方式。图4和图5都包括共享资源的集中控制。图4示出了对共享资源402的运行状态的控制被集中在组件401₄中的实例。图5示出了对共享资源502的运行状态的控制被集中在共享资源502中的实例。图4和图5的例子都示出了具有环形拓扑的基于分组网络403、503。但是应当理解，现在描述的原则可以容易地适用于标准的基于分组网络。在图4和图5二者中，共享资源是时钟源402、502，所述时钟源向四个计算系统组件401₁到401₄、501₁到501₄提供时钟信号405、505。 

根据图4，如果第一组件(例如组件401₂)要将共享资源402置于一个新的运行状态中，那么它就发送一个请求分组围绕环403运转。所述请求分组指示正作出一个改变共享资源的运行状态的请求。环上的每一个组件查看该请求，然后向控制点组件401₄转发响应(例如，“OK”改变运行状态；或“NOT OK”不改变运行状态)。响应可以采用从每个组件发送出的单独分组的形式，或者可以被嵌入到请求分组自身中。或者，响应分组可以围绕环运转，期望每个组件在其中嵌入它的响应。 

不考虑分组交换的精确特性，控制点组件401₄积累响应，然后确定运行状态是否可以接受(例如，如果所有的组件指示“OK”要改变状态；那么就认为改变是可以接受的，不然的话，就认为是不可接受的)。通过控制线404做出改变。 

除了与共享资源相关联的微控制器506积累请求分组的响应并且确定运行状态的改变是否可以接受外，图5的体系结构可以按照前面关于图4描述的相同方式来工作。 

上面讨论的分组交换例子的每一个都指示出：使用共享资源的特定组件确实请求了状态改变。在替换性的方法中，使用共享资源本身可能触发从共享资源的控制点向外发出请求分组。例如，如果图4和图5中共享资源402、502是缓存而不是时钟源，那么控制点就可以检测缓存使用的减少；然后响应于此，控制点可以向组件发出循环传输的请求分组，该请求分组请求这些组件批准运行状态改变(例如，改变到高功耗及减少响应时间的模式，或者改变到低功耗及增加响应时间的模式)；或者，控制点可以向组件发出循环传输的确实通知，以告知所述组件，共享资源将要改变 其运行状态。 

上面讨论的分组交换例子的每一个都讨论了共享资源的集中式控制点。可想象得出，控制权可以分布在组件自身中。例如，组件可以彼此广播它们对共享资源的使用情况，并且通过在每个组件处执行相同的算法，每个组件可以针对一组有关共享资源的运行状态的给定情况得出相同的结论。 

至于环形拓扑，前面曾经说过，一个以上的资源共享组件群可以被连接到相同的环。就是说，例如共享第一资源的第一组组件及共享第二资源的第二组组件可以都被连接到相同的环。这里，同组的组件应当知道与它们共享资源的其它组件的身份或地址，以便可以正确地识别出目的地地址和源地址(例如，使得第一组中的组件知道忽略从属于第二组的组件发送出的分组)。 

图6示出了包含任何上面讨论内容的方法的高层实施方式。根据图6的方法，分组被交换来探查共享资源的运行状态的潜在改变，使得可以调整计算系统的功耗，601。然后确定改变是否可以接受，602。如果认为改变是可以接受的，那么施加改变，603。如果认为改变是不可以接受的，那么就不施加改变，604。 

注意图6是扩展性的，因为它包括了所有类型的网络，例如总线网、点到点网状网、环形网以及它们的组合。这里，普通技术人员可以容易地确定跨越这些网络拓扑的任何一种的循环方案，所述循环方案是用于请求共享资源运行状态改变的请求分组、通知共享资源运行状态改变的通知分组、以及包含有对请求运行状态改变的请求的响应的响应分组。 

图7图示了分组交换701的流程图表示。根据图7的流程图，计算系统的第一组件发送请求改变共享资源运行状态的分组，701₁。该请求抵达共享所述资源的其它计算系统组件(例如701₂所示的)，也抵达共享资源的控制点，701₃。计算系统组件对请求做出响应(例如，由响应701₄所示的)，所述响应被控制点所接收(如接收701₅所表示的)。根据控制点对所述请求以及响应于该请求的响应的接收，控制点可以确定运行状态的改变是否适当，702。 

在图2的讨论中曾经说过，分布式计算系统可以包含用于各种组件的不同物理平台，和/或用于各种组件的不同时钟域。图8示出了至少包括四个不同时钟域803₁到803₄的分布式计算系统，这四个时钟域用于四个不同组件801₁到801₄。时钟域包括其时钟信号从相同的时钟源(例如晶体振荡器)产生的所有电路。因此，使组件801₁运转的时钟脉冲最终是从其派生物遍布整个区域803₁的一个时钟源处产生的。在时钟域803₁中可能存在也可能不存在其它组件或资源。同样的情况也分别适用于时钟域803₂、803₃、803₄与组件801₂、801₃及801₄之间的关系。 

注意，如果组件801₄是共享资源802的控制点，那么时钟域803₄将包括区域808。在这种情形中，可以用控制线805来控制共享资源802的运行状态。如果用于共享资源802的控制点是共享资源802自身，那么其倾向于处在其自身的时钟域806中。 

实际实现功率管理功能的电路可以是任何能够执行这里所给出的方法的电路或者它们的组合。例子包括，执行与这里所述的方法一致的软件指令的状态机或嵌入式控制器/处理器，或者它们的某些组合。为了向网络上发送分组，并且从网络中接收分组，该电路应当被耦合到媒体访问层(MAC)电路。MAC电路包括或者具有耦合到物理层电路的接口，其从网络的物理线接收信号或者在这些物理线上驱动信号。网络线可以是用连接器被连接到PC板的铜缆或光纤光缆。 

软件可以用程序代码实现，例如使得机器(例如“虚拟机”、通用处理器或者专用处理器)执行一定功能的机器可执行指令。或者，可以由包含用于执行这些功能的硬连线逻辑的特定硬件组件，或者由已编程的计算机组件及定制硬件组件的任何组合来执行这些功能。 

可以使用一种产品来存储程序代码。存储有程序代码的产品可以被实现为但不限于，一个或多个存储器(例如，一个或多个闪存、随机访问存储器(静态的、动态的或其它))、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、或者其它种类的适于用来存储电指令的机器可读介质。也可以通过包含在传播介质中的数据信号(例如，通过通信链路(例如网络连接))从远程计算机(例如服务器)将程序代码下 载到请求计算机(例如客户机)。 

在前面的说明书中，已经参考具体的本发明示例性实施例描述了本发明。但是，显然可以对本发明作出各种改变与变化，而不脱离所附权利要求书中阐明的本发明的广泛的精神和范围。因此，说明书及附图被认为是示意性的而非限制性的。 

Claims (5)

1.一种用于改变计算系统的功耗的方法，包括：

向所述计算系统的其它组件通知所述计算系统的一个组件将要进行向所述计算系统内由所述一个组件和所述其它组件共享的资源的运行状态改变；

在所述一个组件处接收来自所述其它组件的响应，所述响应中的每一个指示与其相应的组件认为所述运行状态改变是可接受的还是不可接受的；以及

如果所述响应中的每一个指示所述运行状态改变是可接受的，则进行向所述资源的所述运行状态改变，

其中，所述共享资源包括下述之一：缓存、时钟源和电源。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述计算系统是分布式计算系统。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述组件中的至少一些驻留在不同的物理平台上，所述物理平台经由基于分组的网络而可通信地耦合在一起。

4.如权利要求2所述的方法，其中，所述组件中的至少一些驻留在所述计算系统的不同时钟域内，并且所述不同时钟域内的电路经由基于分组的网络而可通信地耦合在一起。

5.一种用于改变计算系统的功耗的装置，包括：

用于向所述计算系统的其它组件通知所述计算系统的一个组件将要进行向所述计算系统内由所述一个组件和所述其它组件共享的资源的运行状态改变的模块；

用于在所述一个组件处接收来自所述其它组件的响应的模块，所述响应中的每一个指示与其相应的组件认为所述运行状态改变是可接受的还是不可接受的；以及

用于如果所述响应中的每一个指示所述运行状态改变是可接受的，则进行向所述资源的所述运行状态改变的模块，

其中，所述共享资源包括下述之一：缓存、时钟源和电源。

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