CN1993669A - 多核处理器内的电源管理协调 - Google Patents

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Abstract

管理电源的系统和方法用于从第一处理器核发出第一操作要求以及从第二处理器核发出第二操作要求。在一实施例中，操作要求能取决于当前对软件最为重要的因素来反映电源策略或性能策略。硬件协调逻辑用于协调共享资源设置与操作要求。该硬件协调逻辑还能基于该操作要求协调共享资源设置与第一和第二处理器核的独立资源设置。

Description

多核处理器内的电源管理协调
背景
技术领域
本发明的一个或多个实施例一般涉及电源管理。更具体地，某些实施例涉及在多核处理器中协调电源管理活动。
讨论
随着先进处理器带有更多晶体管和更高频率的这一趋势持续增长，计算机设计人员和制造商通常要面对功耗的相应增加。此外，提供更快和更新部件的制造技术同时还导致了泄漏功率的增加。尤其是在移动计算环境中，功耗的增加会导致过热，这会对性能产生不利影响并会显著缩短电池寿命。
某些现代的移动计算系统通过实现基于处理器的电源管理方案解决电池寿命缩短的问题。例如，多种流行方法中的一种是通过在不需要或不期望高性能时按比例降低处理器的核电压和时钟频率来动态地降低处理器功耗。也可以通过按比例缩放处理器用于与诸如芯片组、存储器子系统、输入/输出(I/O)设备等其他部件通信的总线的频率来增强电源管理。另一种方法是开关或“门控”处理器时钟的断开和接通(即，“节流”时钟)来实现功率节约。基于处理器的电源管理的另一示例是节流处理器的架构部件，诸如内部阵列、执行单元等。某些技术使用这些方法的各种组合以进一步降低功耗。虽然这些电源管理方案在某些环境下是可接受的，但是仍有一些问题要考虑。
一个问题涉及近来处理器架构日益复杂的趋势，其中处理器架构可在一系统内包括多个处理器，而每个处理器都带有多个核。在这种情况下，可在处理器核之间共享一些电源相关资源以及相关联的控制，而其他资源和控制则专用于给定核。专用的资源和控制与其他核的资源和控制独立，其中这些共享资源和控制依赖于各核的状态。然而传统的电源管理方案因为是对单处理器环境构造的，所以可能无法在这些情况下良好工作。
例如，这些方案中的一种在操作系统(OS)层上控制各电源状态之间处理器的转换。虽然将来的OS实现能够在每一个核的基础上管理电源，但是它完全不清楚该OS是否能在各核之间协调。此外，即使OS实现完成了每个核的电源管理，效率仍然是需要考虑的问题。更具体地，该OS无从知晓所有这些可用的性能/电源控制机制，并且无法在它们之间取得折衷的平衡。此外，依赖与这些复杂架构相协调的软件会增加OS的额外开销、并且会增加软件计算的复杂性。因为可能在相互依赖的核之间会出现快速状态改变，所以多核处理器基于软件的电源管理也难以从定时的立场实现。
附图简述
本发明实施例的各个优点在本领域普通技术人员阅读了以下的说明书和所附权利要求并参考了以下附图之后将变得显而易见，在所述附图中：
图1是根据本发明一个实施例的处理器示例的框图；
图2是根据本发明一个实施例的电源管理架构示例的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的性能状态转换表示例的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的系统示例的框图；
图5是根据本发明一个实施例的电源管理方法示例的流程图；
图6是根据本发明一个实施例的协调共享资源设置与独立资源设置的过程示例的流程图；
图7是根据本发明一个实施例的选择共享资源设置的过程示例的流程图；
图8是根据本发明一个实施例的调整资源设置的过程示例的流程图。
详细描述
图1示出了带有第一核12、第二核14、以及与第一核12和第二核14操作性耦合的硬件协调逻辑16的处理器10。本文中使用的术语“第一”和“第二”只是为了讨论方便。此外，虽然在此示出的是双核配置，但是可容易地增加处理器10内核的数量而不背离本发明各实施例的精神和范围。所示核12和14中的每一个完全用作逻辑处理器，并且包括传统的执行单元、一级(L1)高速缓存等。因此，所示双核结构能够提供实质上优于传统单核处理器的性能。
处理器10具有能够显著降低功率的多种特征/资源。例如，处理器10可具有能够在不需要或不期望高性能时按比例降低处理器时钟频率和电源电压(例如，核电压)的特征。另一个功率节约特征是可提供总线(未示出)时钟频率的按比例缩放。再一个特征能提供节流(或“门控”)时钟的断开和接通，从而降低功耗。可在封装级引导时钟节流、或者可将时钟节流引导至处理器10的各个部分。另一个功率节约特征可涉及节流核12和14的架构部件以便于降低功率和/或降低温度。
虽然从电源管理的观点来看这些特征的每一个都是相当有益的，但是它们中的一部分利用由核12和14所共享的资源、以及由核12和14独立控制的其他相关资源。所示处理器10一般具有能动态支持这些场景的架构，并且提供了优于常规电源管理方案的诸多优点。
例如，所示处理器10可具有由双核12和14所共享的处理器时钟频率设置和电源电压设置，而独立的时钟节流设置仅可控制每隔多久对第一核12应用时钟。于是，时钟频率和电源电压设置可被视为共享资源设置22，而独立时钟节流设置则可被视为独立资源设置24。类似地，第二核14也可具有由独立资源设置26表示的独立时钟节流设置。
除了独立时钟节流之外，核12和14能独立节流其内部架构的各种功能块。例如，独立资源设置24和26可提供诸如内部阵列、重新排序缓冲器(ROB)、保留站(RS)表格、并行单元、执行单元等的架构部件的节流。
在所示实施例中，第一核12发出第一操作要求18而第二核14发出第二操作要求20。协调逻辑16能够使共享资源设置22与操作要求18和20相协调。如以下将详述的，操作要求18和20可根据诸如电源策略或性能策略的策略而生成，并且可以是在每个核12和14上运行的操作系统(OS)的产物。例如，第一核12可具有使其降低20％功耗的用户/软件可选择功率目标。在此情况下，第一操作要求18可以是指示80％功率水平的功率要求。或者，第二核14可处于要求全功率的运行模式下以使得第二操作要求20指示100％的功率水平。特定值仅作为示例使用。
如下将更详细描述地，操作要求18和20还可以标识诸如性能水平的性能请求或者进入性能状态转换表的索引。通过基于性能或电源策略使硬件协调逻辑16起作用，处理器10能关注当前最重要因素以便于软件控制，同时可能会折衷其他因素。虽然使用性能/电源策略在需要协调多个特征和共同策略(性能或电源)时有用，但也可以使用其他方法。例如，将实际资源设置结合到操作要求中也是一种可以接受的方法。
应该已经注意到，协调逻辑16能根据第一操作要求18和第二操作要求20选择共享资源设置22。结果是可能满足或者可能不满足操作要求18和20的操作状态。例如，如果共享资源设置22不满足第一操作要求18，则第一核12为第一独立资源设置24选择能使第一操作要求18得到满足的经修改/经调整的值。或者，如果共享资源设置22无法满足第二操作要求20，则第二核14为第二独立资源设置26选择能使第二操作要求20得到满足的经修改/经调整的值。协调逻辑16因此可基于独立操作要求18和20与共享资源设置22之间的差异来确定所得的独立资源设置24和26，这反映出实际实现的协作状态。简单地说，独立资源设置24和26能够补偿与共享资源设置22相关联的任何功率/性能缺陷，这可受到核12和14中的一个或多个限制。
于是，在以上失配的操作要求示例中，协调逻辑16会考虑第二核14要求更高功率水平的事实，并且会选择经协调的共享资源设置22以满足该要求。共享资源设置22因此可导致双核12和14处于100％功率的操作状态，而第一核12仍然可以具有80％的操作要求18。因为第一核12尚未满足第一操作要求18，所以第一核12对第一独立资源设置24选择能满足第一操作要求18的经校正/经调整的值。例如，第一核12可以增加其独立时钟节流设置以实现期望的20％的功率降低。于是，通过共享资源设置22与独立资源设置24和26的协调，协调逻辑16就能管理多核环境中的功率效率。
协调逻辑16可通过将第一操作要求18转换成第一目标值并将第二操作要求20转换成第二目标值来选择共享资源设置22，其中这些目标值表示共享资源设置22的可能值。协调逻辑16然后可比较第一目标值和第二目标值，并选择两值中较高的值作为共享资源设置22。应注意，协调逻辑16可简单比较操作要求18和20，并选择两者中较高的那个。协调逻辑16因此能用作“最大值检测器”，用于运算共享资源设置22的要求和/或目标值。
或者，如果“两请求中最小值”策略适用，则协调逻辑16可选择较小值。这一情况会在共享时钟节流的情况下或者在OS决定置位控制符中的“Force_Min”标记的情况下出现，其中Force_Min标记可通知协调逻辑16它需要实施MINIMUM操作点策略，从而确保两核的独立节流请求中的最小值是所选的那个。为简便起见，在本文中描述的某些示例会引用协调策略作为最大值。应该注意，与本发明实施例相关联的优点也能应用于最小值策略。
如果第二核14随后发出了对应于减小目标值的经修改操作要求，则协调逻辑16能够基于该经修改操作要求调整共享资源设置22。在这一情况下，第一核12可基于经调整的共享资源设置调整独立资源设置24。在以上失配操作要求的示例中，第一核12可降低其独立时钟节流设置(因为不再要要)。应该注意，通过在硬件中实现该协调逻辑，就无需将适应快速状态改变的快速OS响应时间强加于该系统。还应该注意，如果独立资源设置24和26公知为比共享资源设置22更为有效，则可逆转上述过程以便于首先选择独立资源设置24和26，其中共享资源设置22补偿独立资源设置24和26。
图2和图3分别示出了可用于实现硬件协调逻辑的电源管理架构58以及能用来便于上述转换的性能状态转换表34。虽然架构58和表34对管理电源非常有益，但是也可以使用其他方法。在所示示例中，定义了诸如每个处理器核的强制最小值特征、性能索引、性能水平和/或功率水平的操作要求特征的性能状态(“P-state”)激活命令60可用于访问性能状态转换表34。虽然仅示出了单个激活命令60，但是也可对表34同时应用多个激活命令。
在所示示例中，操作要求可被定义为诸如组合优化状态绝对功率(“Abs-Pwr”)42或功率百分比(“Pwr％”)的功率要求。操作要求也可以定义为诸如性能索引(“Pindex”)50或组合优化状态绝对性能(“Perf”)52的性能要求。可看到为了支持相对复杂的硬件协调，可跨各特征地结合共享资源设置，并可在“全局”水平指定实际操作要求。于是在所示实施例中，激活命令60包括涉及组合优化状态的操作要求。
如前所述，用于资源设置的目标值可由特征所标识，其中Speedstep特征(“共享特征”)可提供对示为时钟频率设置(“频率”)36和核电压设置(“Vcc”)38的共享资源设置的控制。另一方面，TM1特征(“独立特征”)可提供对示为独立时钟节流设置(“Throttle％”)40的独立资源设置的控制。因为操作要求和目标值由协调逻辑接收，所以能为了选择合适的全局设置对它们进行比较。
在另一个具体的示例中，如果第一核请求88％的性能水平，则协调逻辑能使用进入表格的组合优化状态部分的索引88％的性能“操作要求”。可从该表格中提取1300MHz/1.008V的目标频率/电压值，并可将其置于控制总线62(62a至62e)上用于传递给第一共享资源控制块64。所示的第一共享资源控制块64因此对应于表34中所示的共享特征。与第一核请求同时地，第二核可发出诸如请求在100％性能水平上操作的操作要求。因此，协调逻辑能使用100％的性能来在表格的组合优化状态部分内索引，从表中提取1700MHz/1.233V的目标频率/电压值，并将其置于控制总线66上。
如果所示系统处于“最大检测”模式(即，未置位Force Min)，则第一共享资源控制块64比较两个操作要求并确定合适的全局设置是100％性能。因此，1700MHz/1.233V的目标频率/电压值就可选为共享资源设置68。在所示示例中，共享资源设置68应用于时钟源和/或电压源，从而指示共享资源在由共享资源设置68所定义的合适频率和/或核电压下工作。第一共享资源控制块64还发送操作状态信号70给生成实际操作状态计算72的状态计算逻辑84。操作状态信号70标识由共享资源设置68产生的性能和/或功率状态。于是在此示例中，操作状态信号70可标识100％性能水平。
此外，第一共享资源控制块64能基于共享资源设置68生成经校正的操作要求和/或目标值，并将经校正的目标值放在控制总线62b上，其中该经校正的目标值使得第二共享资源控制块76能够为下一个共享资源确定共享资源设置80。经校正的值对应于所选的操作级，并且能从诸如表34(虽然在该表中仅示出了一个共享特征)的表中提取。在所示示例中，共享资源设置80可以是总线频率设置。第二共享资源控制块76可从控制总线78上收集一个或多个其他处理器核的操作要求和/或目标值，并且确定该设置中的最大值。该最大值表示指示时钟在合适共享资源设置下工作的共享资源设置80。操作状态信号82也被发送至状态计算逻辑84。如果需要附加的资源控制块，则可生成经校正的操作要求和/或目标值并将其放在控制总线62c上。
当所有的共享资源设置都已完成时，电源管理架构58提供对独立资源控制块86的使用以生成独立资源设置88，其中该独立资源设置88使得所述处理器核能实现控制总线62d上经校正操作要求所反映的任何附加功率节约。可从最后一个共享资源控制块中获取经校正的操作要求。在以上第一核需要88％性能水平的示例中，独立资源控制块86可选择提供了88％性能水平的0.125独立时钟节流的独立资源设置。所示全局设置P12还包括通过共享的电压/频率设置的67％的性能降低，如果这与0.125独立时钟节流组合就可提供全部57％的性能。然而，在此描述的方法通过在已选择并固定共享资源的情况下使用独立资源设置来补偿性能数。独立资源控制块86还能生成用于产生实际操作状态计算72的操作状态信号92。如果独立资源设置88不能完全满足经校正的操作要求，则另一个经校正的操作要求就可被发送至控制总线62e上的下一个独立资源控制块(未示出)。
现参看图4，示出了系统28的一个示例，该系统28具有带共享频率设置22a’的时钟源30、带共享资源设置22c’的总线11、带共享资源设置22b’和多核处理器10’的电压源32。系统28可以是需要考虑其功耗和额外开销的诸如笔记本个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、无线“智能”电话等的移动计算系统的一部分。所示处理器10’具有第一核12’、第二核14’和硬件协调逻辑16’。第一核12’发出第一操作要求(未示出)而第二核14’则发出第二操作要求(未示出)。协调逻辑16’分别将共享资源设置22’(22a’至22c’)与第一和第二核12’和14’的操作要求以及与独立资源设置24’和26’相协调。
图5示出了管理电源的方法96。方法96可在使用任何可用的硬件和/或软件编程技术的多核处理器内实现。例如，可将方法96的一个或多个部分具体化为固定功能的硬件、专用集成电路(ASIC)、存储在机器可读介质上的一组微码指令或其任意组合。具体地，所示方法96在处理框98处提供了从第一处理器核发出第一操作要求的步骤。在框100处，从第二处理器核发出第二操作要求。框102提供了协调共享资源设置和操作要求的步骤。该共享资源设置已经基于第一操作要求和第二操作要求而与独立资源设置相协调。该独立资源设置可专用于第一处理器核或者第二处理器核。
现参看图6。在框102’处详细示出了一种协调共享资源设置的方法。更具体地，框104提供了根据第一操作要求和第二操作要求选择共享资源设置的步骤。框106提供了对独立资源设置选择能使操作要求得到满足的经调整值的步骤。
图7在框104’处详细示出了一种选择共享资源设置的方法。在所示示例中，第一操作要求在框108处被转换成第一目标值，而第二操作要求在框110处被转换成第二目标值。如前所述，通过使用功率状态转换表能便于在框108和110处的转换。框112提供了比较第一操作要求和第二操作要求的步骤。或者，可比较目标值本身。如果在框114处确定第二操作要求大于第一操作要求，则框116提供将第二操作要求选择为共享资源设置的步骤。否则，在框118处将第一操作要求选择为共享资源设置。框120提供了在需要时为剩余的共享资源重复共享资源设置选择过程的步骤。在框122处可将由共享资源设置产生的经校正操作要求报告给各个核。
现参看图8，示出了更新共享资源设置和独立资源设置的过程124。在所示示例中，第二处理器核已经预先请求了比第一处理器核更高的性能水平。因此，第一处理器核使用独立资源设置来补偿共享资源设置。框126提供了从第二处理器核发出经修改的操作要求的步骤。在框128处基于该经修改的操作要求调整共享资源设置。框130提供基于该经修改的共享资源设置来调整第一处理器核的独立资源设置的步骤。
于是，本文中所描述的实施例对多核处理器内的电源管理提供了许多独一无二的优点。例如，在硬件协调逻辑中协调电源管理能减轻软件额外开销和计算问题。此外，硬件协调相对快速并且排除了与OS协调电源管理相关联的反应时间问题。另外，通过基于性能或电源策略进行的电源管理，处理器能够关注什么是当前最重要的因素以便于软件控制，同时可能折衷其他因素。
本领域普通技术人员从以上描述中能认识到：可用各种形式实现本发明实施例的广泛技术。因此，虽然已经结合了具体示例描述了本发明的各个实施例，但是本发明各实施例的真实范围并不仅限于此，因为其他的修改在本领域普通技术人员研究了附图、说明书和所附权利要求之后将变得显而易见。

Claims (33)

1.一种处理器，包括：
发出相对应的多个操作要求的多个核；以及
与所述多个核相耦合的协调逻辑，所述协调逻辑协调所述多个核的共享资源设置与所述多个操作要求。
2.如权利要求1所述的处理器，其特征在于，所述协调逻辑协调所述共享资源设置与所述多个核中至少一个的独立资源设置。
3.如权利要求2所述的处理器，其特征在于，所述协调逻辑根据第一核的第一操作要求和第二核的第二操作要求选择所述共享资源设置，所述第一核对所述独立资源设置选择能使所述第一操作要求得到满足的经调整值。
4.如权利要求3所述的处理器，其特征在于，所述协调逻辑将所述第一操作要求转换成第一目标值，将所述第二操作要求转换成第二目标值，比较所述第一操作要求和所述第二操作要求，如果所述第二操作要求大于所述第一操作要求则将所述第二目标值选为所述共享资源设置，并且将由所述共享资源设置产生的经校正的操作要求报告给所述第一核，所述第一核基于所述经校正的操作要求选择所述经调整值。
5.如权利要求4所述的处理器，其特征在于，还包括性能状态转换表，所述协调逻辑使用所述性能状态转换表将所述第一操作要求转换成第一目标值，并将所述第二操作要求转换成第二目标值。
6.如权利要求3所述的处理器，其特征在于，所述第二核发出对应于减小的第二目标值的经修改的操作要求，所述协调逻辑基于所述经修改的操作要求调整所述共享资源设置，所述第一核基于所述经调整的共享资源设置调整所述独立资源设置。
7.如权利要求2所述的处理器，其特征在于，所述独立资源设置包括从含有独立时钟节流设置和架构节流设置的组中选出的设置。
8.如权利要求2所述的处理器，其特征在于，所述协调逻辑协调多个共享资源设置和多个独立资源设置。
9.如权利要求1所述的处理器，其特征在于，所述共享资源设置包括从含有电压设置和频率设置的组中选出的设置。
10.如权利要求1所述的处理器，其特征在于，所述多个操作要求包括多个功率要求。
11.如权利要求1所述的处理器，其特征在于，所述多个操作要求包括多个性能要求。
12.一种方法，包括：
由相对应的多个处理器核发出多个操作要求；以及
协调所述多个处理器核的共享资源设置与所述多个操作要求。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括协调所述共享资源设置与所述多个核中至少一个的独立资源设置。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，协调所述共享资源设置与所述独立资源设置包括：
根据第一处理器核的第一操作要求和第二处理器核的第二操作要求选择所述共享资源设置；并且
对所述独立资源设置选择能使所述第一操作要求得到满足的经调整值。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，选择所述共享资源设置包括：
将所述第一操作要求转换成第一目标值；
将所述第二操作要求转换成第二目标值；
比较所述第一操作要求和所述第二操作要求；
如果所述第二操作要求大于所述第一操作要求，则将所述第二目标值选为所述共享资源设置；
将由所述共享资源设置产生的经校正的操作要求报告给所述第一核；以及
基于所述经校正的操作要求选择所述经调整值。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，转换所述第一和第二操作要求包括使用性能状态转换表。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
从所述第二处理器核发出经修改的操作要求；
基于所述经修改的操作要求调整所述共享资源设置；
基于所述经调整的共享资源设置调整所述独立资源设置。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，协调所述共享资源设置和所述独立资源设置包括协调所述共享资源设置与从含有独立时钟节流设置和架构节流设置的组中选出的设置。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括协调多个共享资源设置和多个独立资源设置。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述协调包括以含有电压设置和频率设置的组中选出的设置进行协调。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述协调包括协调所述共享资源设置和多个功率要求。
22.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述协调包括协调所述共享资源设置和多个性能要求。
23.一种系统，包括：
具有共享频率设置的时钟源；以及
耦合至所述时钟源的处理器，所述处理器具有发出相对应的多个操作要求的多个核以及与所述多个核相耦合的协调逻辑，所述协调逻辑协调所述多个核的共享频率设置与所述多个操作要求。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述协调逻辑协调所述共享资源设置与所述多个核中至少一个的独立资源设置。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述协调逻辑根据第一核的第一操作要求和第二核的第二操作要求选择所述共享频率设置，所述第一核对所述独立资源设置选择能使所述第一操作要求得到满足的经调整值。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述协调逻辑将所述第一操作要求转换成第一频率，将所述第二操作要求转换成第二频率，比较所述第一操作要求和所述第二操作要求，如果所述第二操作要求大于所述第一操作要求则将所述第二频率选为所述共享频率设置，并且将由所述共享频率设置产生的经校正的操作要求报告给所述第一核，所述第一核基于所述经校正的操作要求选择所述经调整值。
27.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述第二核发出对应于减小的第二频率的经修改的操作要求，所述协调逻辑基于所述经修改的操作要求调整所述共享频率设置，所述第一核基于所述经调整的共享频率设置调整所述独立资源设置。
28.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述独立资源设置包括从含有独立时钟节流设置和架构节流设置的组中选出的设置。
29.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述多个操作要求包括多个功率要求。
30.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述多个操作要求包括多个性能要求。
31.一种方法，包括：
从第一处理器核发出第一操作要求；
从第二处理器核发出第二操作要求；
将所述第一操作要求转换成第一目标值；
将所述第二操作要求转换成第二目标值；
比较所述第一操作要求和所述第二操作要求；
如果所述第二操作要求大于所述第一操作要求则将所述第二目标值选为共享资源设置；
对所述独立资源设置选择能使所述第一操作要求得到满足的经调整值。
从所述第二处理器核发出经修改的操作要求；
基于所述经修改的操作要求调整所述共享资源设置；以及
基于所述经调整的共享资源设置调整所述独立资源设置。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述共享资源设置包括从含有电压设置和频率设置的组中选出的设置。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述独立资源设置包括从含有独立时钟节流设置和架构节流设置的组中选出的设置。
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