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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Betriebszustands eines Computersystems. Ferner betrifft die Erfindung ein solches Computersystem.
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Gemäß der
US 9 733 696 B2 wird ein optimaler Leerlaufzustand (idle state) eines Prozessors unter Verwendung dynamisch abgeleiteter Parameter ausgewählt. Beispielsweise wird der Leerlaufzustand aus einer Gruppe möglicher Leerlauf-Leistungszustände ausgewählt. Ein Stromdetektor ist angeordnet, um Leistungsmessungen des Prozessors durchzuführen und einen Gesamtleistungsverbrauch des Prozessors für jeden Zeitwert eines Bereichs von diskreten Werten für jeden möglichen Leerlauf-Leistungszustand zu melden. Eine Kalibrierungseinheit ist angeordnet, um mit dem Stromdetektor und dem Prozessor zu kommunizieren und automatisch eine Kalibrierungssequenz zu aktivieren, die verwendet wird, um Daten zu erzeugen, aus denen der Leerlauf-Leistungszustand für den Prozessor für eine geschätzte Leerlaufperiode optimal ist.
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Die
US 7 243 243 B2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und Steuern des Stromverbrauchs eines Computersystems unter Verwendung einer Sensorschaltung. Die Sensorschaltung erfasst gleichzeitig den Stromverbrauch für jede der verschiedenen Komponenten im Computersystem, einschließlich der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU). Die Stromverbrauchsdaten werden akkumuliert und an die CPU gesendet, um es der CPU zu ermöglichen, die Stromversorgung der verschiedenen Komponenten des Computersystems, einschließlich der CPU selbst, zu steuern.
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Angetrieben durch den Trend in der Computerindustrie den Energieverbrauch von Computersystemen, wie Notebooks und Desktop PCs, zu verbessern, wurden fortschrittlichere Bereitschaftszustände implementiert, die traditionelle Zustände von Computersystemen, wie z.B. die Zustände S0 (Hauptbetrieb) und S3 (Standby) gemäß dem sogenannten Advanced Configuration and Power Interface (ACPI), ablösen oder erweitern. Insbesondere haben Hersteller von Prozessoren und Betriebssystemen begonnen, die Implementierung eines neuen Systemzustands, des sogenannten „Modern Standby“, voranzutreiben. Dieser Systemzustand hat zum Ziel, Bereitschaftszustände, wie sie aus dem Mobile Computing (Smartphones, Tablets, etc.) bekannt sind, auf traditionelle x86 Systeme zu übertragen.
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Ein Hauptunterschied des „Modern Standby“-Systemzustands zum traditionellen S3-Standby-Zustand ist eine permanente Netzwerkanbindung, die Möglichkeit Hintergrundtasks durchzuführen (falls erforderlich), schnelles „Aufwachen“ des Systems, sowie verbesserte Sicherheitsimplementierungen. Um den Energieverbrauch auf ähnliche oder gar niedrigere Level zu reduzieren, wie sie im traditionellen S3-Standby-Zustand erreicht werden, wechseln das Mainboard und sämtliche angebundenen Komponenten und Geräte im Computersystem (inklusive der CPU) in Stromsparmodi. Zusätzlich wird das Netzteil (Power Supply Unit, PSU) bei Desktop PCs in einen Leichtlastbetrieb geschaltet. Nachteil hierbei ist jedoch, dass nicht alle Stromleitungen mit einer verbesserten Leichtlasteffizienz betrieben werden können.
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Damit der „Modern Standby“-Systemzustand zuverlässig eingenommen und ausgeführt werden kann, müssen sämtliche angebundenen Komponenten und Geräte im Computersystem (inklusive der CPU) diesen Systemzustand unterstützen. Zum Beispiel müssen PCIe-Geräte (PCIe = Peripheral Component Interconnect express) einen Low Power Mode unterstützen, infolge dessen eine Trennung der Hauptstromversorgung erfolgen kann. Ferner ist die Unterstützung von Betriebssystemtreibern notwendig. Falls einzelne Geräte oder Komponenten nicht alle Erfordernisse des „Modern Standby“-Systemzustands erfüllen oder auf andere Weise den Übergang in Stromsparmodi blockieren, bleibt das Computersystem energetisch im S0-Zustand (Hauptbetrieb) hängen, sodass das Netzteil nicht in einen Bereitschaftszustand (Standby) oder Leichtlastbetrieb übergehen kann.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass häufige Übergänge und Wechsel zwischen einem Hauptbetrieb und einem Bereitschaftszustand des Netzteils auftreten können, falls ein Gerät oder eine Komponente des Computersystems ständige Aktualisierung aus dem Netzwerk oder Hintergrundtasks benötigt. In Abhängigkeit von einer Implementierung des Netzteils kann dies zu hörbarem Schaltgeräusch führen oder die Lebenszeit des Netzteils herabsetzen.
Bisherige Implementierung von Computersystemen unter Verwendung des „Modern Standby“-Systemzustands sind hauptsächlich auf batteriebetriebene Geräte, wie z.B. Notebooks, beschränkt, in denen keine internen Netzteile (z.B. ATX-Netzteile) eingesetzt werden, die zwischen einem Hauptversorgungsbetrieb und einem Bereitschaftsbetrieb umgeschaltet werden müssen. Im Rahmen von Desktop PCs werden bisher nur Referenzentwürfe vorgeschlagen, die ATX-Netzteile mit mehreren Versorgungsleitungen einsetzen und diese konstant, z.B. jede Sekunde, zwischen einem Hauptversorgungsbetrieb und einem Bereitschaftsbetrieb umschalten. Für Netzteile mit nur einer Versorgungsleitung wird z.B. ein Blockier-Zeitfenster von zwei Sekunden im Netzteil implementiert, so dass das Netzteil für zwei Sekunden nicht einschaltet, selbst wenn ein Aktivierungssignal vorgegeben wird, das ein Umschalten zwischen einem Hauptversorgungsbetrieb und einem Bereitschaftsbetrieb blockiert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, existierende Lösungen für Energiesparzustände auf x86-Systemen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Ergänzende oder weiterbildende Implementierungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das Verfahren ist zum Steuern eines Betriebszustands eines Computersystems implementiert und weist die folgenden Schritte auf:
- - Auslösen eines Befehls, der einen Übergang des Computersystems aus einem Hauptbetriebszustand in einen Bereitschaftszustand anweist, wobei der Bereitschaftszustand einen Betrieb des Computersystems mit einem gegenüber dem Hauptbetriebszustand niedrigsten Energieverbrauch definiert,
- - Messen einer Leistungsaufnahme des Computersystems,
- - Beibehalten eines Hauptversorgungsbetriebs eines Netzteils des Computersystems, solange ein Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems überschritten wird,
- - Veranlassen eines Übergangs des Computersystems vom Hauptbetriebszustand in einen Energiesparzustand, sobald der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems unterschritten wird, wobei der Energiesparzustand einem Systemzustand mit gegenüber dem Hauptbetriebszustand reduziertem Energieverbrauch entspricht, wobei das Netzteil des Computersystems im Energiesparzustand in einen Hilfsversorgungsbetrieb mit einer gegenüber dem Hauptversorgungsbetrieb reduzierten Energieversorgung geschaltet wird.
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Ein solches Verfahren verbessert existierende Lösungen für Bereitschaftszustände auf x86-Systemen durch Implementieren eines leistungs-(verbrauchs-)abhängigen (lastabhängigen) Energiesparzustands. In diesem Energiesparzustand werden leistungsverbrauchsabhängig einzelne Komponenten des Computersystems in deren Energieverbrauch gedrosselt oder vollständig abgeschaltet. Der Energiesparzustand ist unter der Maßgabe eines Energieverbrauchs des Computersystems ein leistungsabhängiger Zustand, der energetisch bereits zwischen dem Hauptbetriebszustand und dem, über das Auslösen des Befehls angeforderten, Bereitschaftszustand ansetzt. Der Energiesparzustand greift also energetisch bereits vor dem niedrigsten Energieverbrauch, der durch den Bereitschaftszustand definiert ist. Im Energiesparzustand wird das Netzteil in einen Hilfsversorgungsbetrieb geschaltet, um elektrische Energie zu sparen. Der Hilfsversorgungsbetrieb des Netzteils ist beispielsweise ein Bereitschaftszustand (Standby) oder Leichtlastbetrieb.
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Dies erlaubt es, den Energieverbrauch von Computersystemen, insbesondere von Desktop PCs, verbessert zu reduzieren. Das Verfahren steuert den Übergang vom Hauptbetriebszustand in den Energiesparzustand, sobald der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems unterschritten wird und der Befehl zum Einnehmen des Bereitschaftszustands initiiert worden ist.
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Das Verfahren hat somit den Effekt und Vorteil gegenüber herkömmlichen Lösungen, dass ein Energiesparzustand eingenommen werden kann, selbst wenn einzelne Komponenten und Geräte im Computersystem (inklusive der CPU) den angeforderten Bereitschaftszustand nicht unterstützen oder auf andere Weise blockieren. Auf diese Weise kann dennoch der Energieverbrauch reduziert werden und das Computersystem bleibt energetisch nicht im Hauptbetriebszustand hängen.
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Der Bereitschaftszustand ist ein Betriebszustand des Computersystems, in dem das Computersystem noch in Betrieb ist, d.h. nicht ausgeschaltet ist. Der Bereitschaftszustand entspricht beispielsweise einem Schlafzustand (sleep) mit einem niedrigsten Energieverbrauch. Der Bereitschaftszustand ist z.B. in einem Betriebssystem des Computersystems konfiguriert. Der Bereitschaftszustand ist beispielsweise ein „Modern Standby“-Systemzustand. In diesem Systemzustand ist das Computersystem energetisch im niedrigsten Energieverbrauch. Dieser Systemzustand ist z.B. so definiert, dass sich einzelne oder mehrere Komponenten und Geräte des Computersystems unter der Maßgabe einer operativen Bereitschaft analog zu einem S0-Betrieb gemäß dem ACPI-Standard verhalten, energetisch jedoch im niedrigsten Verbrauchszustand sind. Dies ermöglicht eine Absenkung des Energieverbrauchs auf ein sehr niedriges Level, wobei das Computersystem dennoch sehr schnell zurück in den Hauptbetriebszustand reaktiviert werden kann.
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Ein Effekt und Vorteil des Messens der Leistungsaufnahme des Computersystems besteht darin, dass der Hauptversorgungsbetriebs des Netzteils des Computersystems aufrechterhalten bleibt, solange ein Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems überschritten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das Computersystem stabil läuft und das Netzteil in keinem Fall in einen Hilfsversorgungsbetrieb wechselt, über den der Energiebedarf des Computersystems nicht bedient werden kann.
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Ein weiterer Effekt und Vorteil des Messens der Leistungsaufnahme des Computersystems besteht darin, dass der Energiesparzustand leistungsabhängig eingestellt werden kann. Das bedeutet, dass der Energiesparzustand je nach benötigter Restleistung mehr oder weniger moderat dimensioniert werden kann. Wenn das Computersystem noch deutliche Restleistung benötigt, z.B. weil Hintergrundtasks oder Updates aus dem Netzwerk erledigt werden müssen, wird der Energiesparzustand moderater dimensioniert als wenn nur wenige Prozesse oder Komponenten laufen müssen.
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In diversen Implementierungen des Verfahrens entspricht der Energiesparzustand dem Bereitschaftszustand, wenn das Computersystem im Energiesparzustand mit dem niedrigsten Energieverbrauch betrieben werden kann. In einem solchen Fall entspricht der Energiesparzustand beispielsweise dem „Modern Standby“-Systemzustand.
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In diversen Implementierungen des Verfahrens wird die Leistungsaufnahme des Computersystems in mehreren Messvorgängen wiederholt gemessen, solange der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems überschritten wird. Nach jedem Messvorgang wird ein Timer gestartet. Ein erneuter Messvorgang wird durchgeführt, sobald der Timer abgelaufen ist. Dies hat den Effekt und Vorteil, dass laufende Tasks oder Prozesse, die Einfluss auf die Leistungsaufnahme haben, zunächst beendet werden können, bevor die Leistungsaufnahme des Computersystems erneut gemessen wird. In ergänzenden Implementierungen des Verfahrens wird der Timer nach jedem Messvorgang erhöht. Dies hat den Vorteil, dass verschiedenen laufenden Tasks oder Prozessen mit verschieden langer Abschlussdauer Rechnung getragen werden kann.
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In diversen Implementierungen des Verfahrens wird ein Fehlersignal erzeugt, falls eine bestimmte Anzahl an Messvorgängen erreicht wird und der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems überschritten bleibt. Dies hat den Vorteil, dass einer internen Steuerung im Computersystem oder einem Benutzer signalisiert werden kann, dass der Energiesparzustand (trotz angefordertem Befehl) nicht eingenommen werden kann. Dies erhöht die Systemsicherheit des Computersystems.
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In diversen Implementierungen hat das Verfahren die weiteren Schritte:
- - Messen der Leistungsaufnahme des Computersystems im Energiesparzustand,
- - Unternehmen des Versuchs einer weiteren Absenkung des Energieverbrauchs des Computersystems, sobald der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems im Energiesparzustand überschritten wird.
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Diese Schritte haben den Effekt und Vorteil, dass eine Steuerung innerhalb des Computersystems auf eine Veränderung in der Leistungsaufnahme reagieren kann. Um das Computersystem trotz eines Anstiegs der Leistungsaufnahme über den Grenzwert hinaus im Energiesparzustand zu belassen, wird eine weitere Absenkung des Energieverbrauchs des Computersystems angestrebt. Hierzu wird zum Beispiel die CPU (weiter) gedrosselt oder weitere, nicht benötigte Komponenten oder Geräte abgeschaltet.
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In diversen Implementierungen hat das Verfahren den weiteren Schritt:
- - Veranlassen eines Übergangs des Computersystems vom Energiesparzustand zurück in den Hauptbetriebszustand, falls der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems im Energiesparzustand nach einem bestimmten Zeitraum weiterhin überschritten wird, wobei das Netzteil des Computersystems zurück in den Hauptversorgungsbetrieb geschaltet wird.
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Diese Maßnahme hat den Effekt und Vorteil, dass ein ungewolltes Herunterfahren des Computersystems aufgrund von Überlastung im Energiesparzustand verhindert wird.
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Die obige Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Computersystem nach Patentanspruch 7 gelöst. Ergänzende oder weiterbildende Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das Computersystem weist ein Netzteil und Komponenten auf, die über das Netzteil mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Computersystem ist eingerichtet:
- - einen Befehl für einen Übergang des Computersystems aus einem Hauptbetriebszustand in einen Bereitschaftszustand auszulösen, wobei der Bereitschaftszustand einen Betrieb des Computersystems mit einem gegenüber dem Hauptbetriebszustand niedrigsten Energieverbrauch definiert,
- - eine Leistungsaufnahme des Computersystems zu messen und einen Hauptversorgungsbetrieb des Netzteils des Computersystems beizubehalten, solange ein Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems überschritten ist,
- - einen Übergang des Computersystems vom Hauptbetriebszustand in einen Energiesparzustand zu veranlassen, sobald der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems unterschritten wird, wobei der Energiesparzustand leistungsabhängig einstellbar ist und einem Systemzustand mit gegenüber dem Hauptbetriebszustand reduziertem Energieverbrauch entspricht, wobei das Netzteil des Computersystems im Energiesparzustand in einen Hilfsversorgungsbetrieb mit einer gegenüber dem Hauptversorgungsbetrieb reduzierten Energieversorgung schaltbar ist.
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Auch ein solches Computersystem erzielt die Effekte und Vorteile, die im Rahmen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt oben erläutert worden sind.
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In diversen Ausführungsformen des Computersystems ist zur Messung der Leistungsaufnahme des Computersystems eine Messschaltung eingerichtet, die ein Steuersignal erzeugt. Dieses gibt an, ob der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems überschritten ist oder nicht. Dies hat den Effekt und Vorteil, dass eine einfache Ermittlung der Leistungsaufnahme des Computersystems vorgenommen werden kann. Die Messschaltung ist beispielsweise als analoge Schaltung mit einem Shunt und einem Messverstärker aufgebaut, wobei eine Erkennung einer zeitlichen Veränderung der Stromaufnahme im Computersystem erfolgt. Dies kann z.B. eine erste mathematische Ableitung des Stroms di/dt sein. Das Stromsignal wird z.B. über eine bestimmte Zeitdauer gemittelt und das Steuersignal erzeugt, wenn das gemittelte Stromsignal den Grenzwert überschreitet.
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In diversen Ausführungsformen ist das Computersystem ferner eingerichtet, das von der Messschaltung erzeugte Steuersignal an eine Steuerung zu übergeben und mittels der Steuerung den Übergang des Computersystems zwischen dem Hauptbetriebszustand und dem Energiesparzustand zu steuern. Dies hat den Effekt und Vorteil, dass die verschiedenen Zustände automatisch und verlässlich gesteuert werden können. Die Steuerung ist beispielsweise ein eingebetteter Controller auf dem Mainboard des Computersystems.
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In diversen Ausführungsformen ist das Computersystem eingerichtet, ein Verfahren der oben erläuterten Art durchzuführen.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme mehrerer Zeichnungen nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Implementierung eines Verfahrens zum Steuern eines Betriebszustands eines Computersystems,
- 2 eine schematische Darstellung von Komponenten eines Computersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 3 eine Schaltungsanordnung einer Messschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4 eine schematische Darstellung eines Vergleichs einer Implementierung eines Bereitschaftszustands mit und ohne Energiesparzustand.
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1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Implementierung eines Verfahrens zum Steuern eines Betriebszustands eines Computersystems. Hierbei sind auf der linken Seite der gestrichelten Trennung (unter der Rubrik „System-Zustand“) verschiedene Verfahrensschritte S1 bis S7 betreffend System-Zustände eines Computersystems dargestellt. Auf der rechten Seite der gestrichelten Trennung (unter der Rubrik „Netzteil-Zustand“) ist ein jeweiliger Zustand eines Netzteils des Computersystems dargestellt.
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Das Verfahren beginnt in Schritt S1, in dem das Computersystem in einem Hauptbetriebszustand befindlich ist. Das Computersystem ist in diesem Zustand eingeschaltet und alle Geräte und Komponenten des Computersystems sind aktiv. Das Netzteil des Computersystems ist in diesem System-Zustand eingeschaltet (Zustand EIN) und in einem Hauptversorgungsbetrieb zur Versorgung des Computersystems mit elektrischer Energie. Der Hauptbetriebszustand des Computersystems entspricht beispielsweise einem S0-Zustand gemäß dem ACPI-Standard. Im Schritt S1 wird ein Befehl ausgelöst, der einen Übergang des Computersystems aus dem Hauptbetriebszustand in einen Bereitschaftszustand anweist. Dieser Befehl wird beispielsweise durch ein Betriebssystem des Computersystems initiiert. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass ein Benutzer des Computersystems einen Einschaltknopf am Computersystem oder eine Softwareschaltfläche im Betriebssystem des Computersystems betätigt.
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Daraufhin wird im Schritt S2 eine Leistungsaufnahme des Computersystems gemessen. Hierzu wird beispielsweise eine Stromaufnahme von Komponenten des Computersystems aus dem Netzteil des Computersystems bei vorgegebener Versorgungsspannung gemessen und mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen. Ein Messverfahren und eine Messschaltung hierfür werden unten näher erläutert. Im Schritt S2 ist das Netzteil des Computersystems weiterhin im Hauptversorgungsbetrieb (Zustand EIN).
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Falls die gemessene Leistungsaufnahme über dem Grenzwert liegt, bedeutet dies, dass die Leistungsaufnahme des Computersystems höher ist als eine Leistung, die das Netzteil in einem Hilfsversorgungsbetrieb liefern kann. In diesem Fall wird der Hauptversorgungsbetrieb des Netzteils des Computersystems beibehalten, solange der Grenzwert der gemessenen Leistungsaufnahme des Computersystems überschritten wird. Das Verfahren wechselt hierbei in Schritt S3.
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In Schritt S3 wird ein Timer gestartet. Nachdem der Timer abgelaufen ist, erfolgt ein erneutes Messen der Leistungsaufnahme gemäß Schritt S2. Falls die gemessene Leistungsaufnahme immer noch über dem Grenzwert liegt, wird erneut in Schritt S3 gewechselt und ein erneuter Timer gestartet. Mit jeder solchen Iteration zwischen den Schritten S2 und S3, wird eine Zeitdauer des Timers erhöht, solange die Leistungsaufnahme über dem Grenzwert liegt. Im Implementierungsbeispiel gemäß 1 erfolgt beispielsweise eine iterative Erhöhung des Timers von 500 ms bis 10 s Verzögerung. Beispielsweise sind verschiedene Timer eingestellt mit den Werten 500 ms, 1 s, 5 s und 10 s. Ein solches Vorgehen ermöglicht, dass laufende Tasks oder Prozesse, die Einfluss auf die Leistungsaufnahme des Computersystems haben, zunächst beendet werden können, bevor die Leistungsaufnahme des Computersystems erneut gemessen wird. Je öfter zwischen den Schritten S2 und S3 gewechselt wird, umso länger werden die Timer entsprechend gesetzt, um länger andauernden Tasks oder Hintergrundprozessen und deren Beendigung zu ermöglichen.
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Die Schritte S2 und S3 werden beispielsweise solange wiederholt, bis eine vorgegebene Anzahl an Iterationen (beispielsweise fünf Iterationen) abgelaufen ist oder die Leistungsaufnahme des Computersystems unter den Grenzwert abgesunken ist. Falls nach dem Ablauf der vorgegebenen Anzahl an Iterationen die Leistungsaufnahme des Computersystems immer noch über dem Grenzwert liegt, wird ein Fehlersignal erzeugt. Dieses gibt an, dass das Einnehmen eines Energiesparzustands fehlgeschlagen ist. Dies wird beispielsweise einem Benutzer des Computersystems über ein Alarmsignal oder eine Mitteilung, z.B. über das Betriebssystem, signalisiert.
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Falls jedoch die Leistungsaufnahme vor Erreichen der maximalen Anzahl an Iterationen unter den Grenzwert abgesunken ist, wechselt das Verfahren von Schritt S2 in Schritt S4. In Schritt S4 erfolgt optional ein Vorkonfigurieren eines Energiesparzustands beziehungsweise ein Eintreten in diesen Energiesparzustand. Das Vorkonfigurieren gibt beispielsweise Einstellungen in Geräten, Komponenten oder in einer Software (z.B. Betriebssystem) des Computersystems vor. Dies umfasst beispielsweise bestimmte Befehle oder Befehlssätze zum gesteuerten Überführen der Geräte und Komponenten in den Energiesparzustand. Das Vorkonfigurieren erfolgt beispielsweise einmalig beim ersten Eintreten in den Energiesparzustand. Falls das Vorkonfigurieren in Schritt S4 durchgeführt wird und dieses beendet ist, tritt das Computersystem in den Energiesparzustand ein. Alternativ kann ein Vorkonfigurieren separat zum Schritt S4 durchgeführt werden, z.B. im Vorfeld eines hier erläuterten Verfahrens.
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Der Energiesparzustand ist ein Systemzustand mit gegenüber dem Hauptbetriebszustand reduziertem Energieverbrauch. Insbesondere ist der Energiesparzustand ein energetischer Zwischenzustand des Computersystems zwischen dem Hauptbetriebszustand und dem Bereitschaftszustand, der in Schritt S1 über den Befehl angewiesen worden ist. Der Bereitschaftszustand definiert beispielsweise einen Betrieb des Computersystems mit einem gegenüber dem Hauptbetriebszustand niedrigsten Energieverbrauch. Der Bereitschaftszustand ist beispielsweise ein „Modern Standby“-Systemzustand.
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Im Energiesparzustand gemäß Schritt S4 werden leistungsverbrauchsabhängig einzelne Komponenten des Computersystems im Energieverbrauch gedrosselt oder vollständig abgeschaltet. Beispielsweise werden Lüfter im Computersystem heruntergeregelt oder vollständig abgeschaltet und der Prozessor (CPU) in seiner Taktung gedrosselt. Das Netzteil des Computersystems kann dann in den Hilfsversorgungsbetrieb geschaltet werden. Der Hilfsversorgungsbetrieb des Netzteils ist beispielsweise ein Bereitschaftszustand (Standby) oder ein Leichtlastbetrieb. Das Computersystem befindet sich daraufhin im Energiesparzustand, der weiter unten im Vergleich zum Bereitschaftszustand näher erläutert wird.
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Im Energiesparzustand wird in Schritt S5 kontinuierlich die Leistungsaufnahme des Computersystems gemessen. Überschreitet im Energiesparzustand die Leistungsaufnahme den erläuterten Grenzwert, so ergehen eine Leistungswarnung bzw. ein System-Interrupt und das Verfahren wechselt in Schritt S6. In diesem Schritt S6 wird eine weitere Leistungsreduktion des Computersystems veranlasst. Hierzu wird der Versuch unternommen, die Systemleistung weiter zu reduzieren, indem z.B. die CPU weiter gedrosselt wird. Die CPU wird hierbei beispielsweise auf ihre minimale Taktung gedrosselt. Auch die Leistungsreduktion anderer Geräte und Komponenten im Computersystem kann hier erfolgen.
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Sinkt aufgrund der Maßnahmen in Schritt S6 die Leistungsaufnahme innerhalb eines bestimmten Zeitraums wieder unter den Grenzwert ab, so wechselt das Verfahren zurück in Schritt S5, wobei das Computersystem im Energiesparzustand verbleibt. Der vorgegebene Zeitraum beträgt im Implementierungsbeispiel 5 ms. Führen die Maßnahmen in Schritt S6 dagegen nicht zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme unter den Grenzwert im Zeitraum von 5 ms, so wechselt das Verfahren in Schritt S7. Dadurch wird der Energiesparzustand verlassen und gegebenenfalls ein Überlastereignis protokolliert, das zum Leistungsanstieg geführt hat. Durch die Maßnahmen des Schritts S7 wird das Computersystem somit vom Energiesparzustand zurück in den Hauptbetriebszustand überführt. Das Netzteil des Computersystems wird hierbei zurück in den Hauptversorgungsbetrieb (Zustand EIN) geschaltet. Gemäß dem Implementierungsbeispiel in 1 befindet sich das Verfahren somit wieder in Schritt S1.
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2 zeigt eine schematische Darstellung von Komponenten eines Computersystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Verfahren, wie es zu 1 oben erläutert worden ist, findet beispielsweise Anwendung im Computersystem 1 gemäß 2. Das Computersystem 1 gemäß 2 weist ein Netzteil 2 zur Versorgung von Komponenten 4a, 4b (oder weiteren nicht dargestellten Komponenten) des Computersystems 1 auf. Das Netzteil 2 ist beispielsweise ein sogenanntes single-rail Netzteil. Das bedeutet, dass das Netzteil lediglich eine Versorgungsspannung ausgibt. Das Netzteil ist beispielsweise konfiguriert, im Hilfsversorgungsbetrieb dieselbe Versorgungsspannung auszugeben als im Hauptversorgungsbetrieb, allerdings bei geringerer Leistung als im Hauptversorgungsbetrieb. Dies hat den Vorteil, dass auch im Hilfsversorgungsbetrieb die Versorgungsspannung vorhanden ist, die für die Versorgung wichtiger Komponenten 4a, 4b herangezogen wird. Das Netzteil 2 hat im Ausführungsbeispiel gemäß 2 einen Ausgang, an dem 12 V Versorgungsspannung anliegen. Über diese Versorgungsspannung werden beispielsweise PCI Express (PCIe) Komponenten 4a auf einem Mainboard des Computersystems 1 versorgt. Über mehrere Spannungsregler 3a bis 3d können verschiedene weitere Boardspannungen erzeugt werden. Zum Beispiel ist ein Spannungsregler 3a vorgesehen, der eine Versorgungsspannung für den CPU-Kern des Computersystems 1 bereitstellt, mit der die CPU (Komponente 4b) versorgt werden kann. Weitere Spannungsregler 3b bis 3d erzeugen weitere Boardspannungen von 5 V, 3,3 V und 1,8 V, wie beispielhaft in 2 gezeigt.
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Des Weiteren weist das Computersystem 1 eine Messschaltung 5 auf, die zwischen einen Ausgang des Netzteils 2 und den Spannungsreglern 3a bis 3d verschaltet ist. Die Messschaltung 5 weist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 einen Shunt auf, der mit einer Erkennung einer zeitlichen Stromänderung (di/dt) verschaltet ist. Letztere erfasst eine zeitliche Veränderung des aus dem Netzteil bezogenen elektrischen Stroms. Der Shunt umfasst beispielsweise einen Messwiderstand zur Messung des elektrischen Stroms. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst die Messung der elektrischen Leistungsaufnahme mittels der Messschaltung 5 lediglich einen Versorgungspfad hin zu dem Komponenten 4b des Computersystems 1, ohne eine Berücksichtigung der Komponenten 4a. In alternativen Ausführungsformen können jedoch auch Letztere in eine Messung einer Leistungsaufnahme einbezogen sein.
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Die Messschaltung 5 übernimmt somit die Aufgabe des Messens der Leistungsaufnahme des Computersystems 1, wie zu den Schritten S2 und S5 im Verfahren zur 1 erläutert. Überschreitet die Leistungsaufnahme des Computersystems 1 den Grenzwert, so erzeugt die Messschaltung 5 ein Steuersignal 8 und gibt dieses als Leistungswarnung beziehungsweise System-Interrupt an eine Steuerung 6 des Computersystems 1 weiter. Die Steuerung 6 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein eingebetteter Controller. Die Steuerung 6 steuert den Betriebszustand des Computersystems 1 in Abhängigkeit vom Steuersignal 8. Zeigt das Steuersignal 8 beispielsweise ein kontinuierliches Überschreiten des Grenzwerts in der Leistungsaufnahme des Computersystems 1 an (definierter erster Signalpegel des Steuersignals 8) und wird die vordefinierte Anzahl an Interrationen von Messvorgängen überschritten, wie in 1 zu den Schritten S2 und S3 oben erläutert worden ist, so erzeugt die Steuerung 6 ein Fehlersignal 13. Dieses gibt an, dass das Einnehmen eines Energiesparzustands des Computersystems 1 fehlgeschlagen ist. Das Fehlersignal 13 wird an einen Chipsatz 7 übermittelt, der dieses entsprechend weiterverarbeitet, entsprechende Maßnahmen vornimmt und gegebenenfalls eine Signalisierung an einen Benutzer des Computersystems 1 ausgibt. Der Chipsatz 7 ist beispielsweise ein sogenanntes System on a Chip (SoC).
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Zeigt das Steuersignal 8 dagegen an (definierter zweiter Signalpegel des Steuersignals 8), dass im Rahmen der iterativen Messvorgänge die Leistungsaufnahme den Grenzwert unterschreitet, so erzeugt die Steuerung 6 ein Auslösesignal 14, wodurch das Netzteil 2 in den Hilfsversorgungsbetrieb geschaltet wird. Dadurch nimmt das Computersystem 1 den Energiesparzustand an, wodurch Komponenten 4a beziehungsweise 4b in ihrer Energieaufnahme gedrosselt beziehungsweise eingeschränkt werden. Siehe hierzu auch die Erläuterungen zu Schritt S5 gemäß 1 oben. Die Steuerung 6 gemäß 2 übernimmt auch mit der Messschaltung 5 eine kontinuierliche Überwachung der Leistungsaufnahme des Computersystems 1 im eingenommenen Energiesparzustand und veranlasst gegebenenfalls die Maßnahmen wie oben in 1 in den Schritten S6 und S7 erläutert worden sind.
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Eine Signalisierung zwischen der Steuerung 6 und dem Netzteil 2 beziehungsweise dem Chipsatz 7 erfolgt beispielsweise über eine Pin-Signalisierung gemäß dem sogenannten General Purpose Input/Output Standard (GPIO).
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Die Erkennung einer zeitlichen Stromänderung di/dt in der Messschaltung 5 umfasst beispielsweise einen Strommessverstärker, in dem der Strom über einen bestimmten kurzen Zeitraum, zum Beispiel 8 ms, gemittelt wird und erfasst wird, ob nach diesem Zeitraum der vordefinierte Grenzwert der Leistungsaufnahme überschritten ist. Die Messschaltung 5 ist beispielsweise derart konfiguriert, um das Steuersignal 8 als digitales Ausgangssignal an die Steuerung 6 zu übergeben.
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Ein alternatives oder ergänzendes Ausführungsbeispiel einer Messschaltung 5 ist in 3 dargestellt. Die Messschaltung 5 gemäß 3 umfasst einen Messwiderstand R20, der als Shunt zum Erfassen eines elektrischen Stroms des Computersystems dient. Auf der linken Seite ist der Messwiderstand R20 mit einem Signaleingang 1 (IN(+)) eines Strommessverstärkers 9 verbunden. Auf der rechten Seiten ist der Messwiderstand R20 mit einem Signaleingang 10 (IN(-)) des Strommessverstärkers 9 verbunden. Am Eingang 1 des Strommessverstärkers 9 liegt somit ein netzteilseitiges Versorgungssignal an, während am Eingang 10 des Strommessverstärkers 9 ein lastseitiges (zum Computersystem 1 hin) Versorgungssignal anliegt. Des Weiteren ist ein Kondensator C4 parallel zum Messwiderstand R20 geschaltet und dient als Filterkondensator.
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Der Strommessverstärker 9 ermittelt aus den Eingangssignalen 1 und 10 ein Differenzsignal und vergleicht dieses mit einem Referenzsignal am Eingang 7 (CMPREF) des Strommessverstärkers. Das Referenzsignal wird über einen Spannungsteiler R26, R28 aus einer Standby-Versorgung des Netzteils (P3V3P_STBY) gebildet. Dieses dient auch als Spannungsversorgung (VS+) an Eingang 2 des Strommessverstärkers 9. Zur Signalisierung eines Verhaltens des Differenzsignals der Eingänge 1 und 10 des Strommessverstärkers 9 gegenüber dem Referenzsignal am Eingang 7 des Strommessverstärkers 9 dient ein Ausgangssignal (ALERT#) an einem Ausgang 3 des Strommessverstärkers 9. Im Normalbetrieb (Differenzsignal unterschreitet Referenzsignal) ist das Ausgangssignal (ALERT#) auf dem Signalpegel HIGH. Dadurch ist der Transistor Q5, der ebenfalls über die Standby-Versorgung (P3V3P_STBY) mit Strom versorgt wird, leitend. Der Kondensator C6 ist entladen. In diesem Zustand sperrt der weitere Transistor Q1 und erzeugt, ebenfalls versorgt aus der Standby-Versorgung (P3V3P_STBY), an dessen Kollektoranschluss 3 einen Signalpegel HIGH, der als Steuersignal 8 fungiert.
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Überschreitet das Differenzsignal der Eingänge 1 und 10 des Strommessverstärkers 9 das Referenzsignal am Eingang 7 des Strommessverstärkers 9, so erzeugt der Strommessverstärker 9 an dessen Ausgang 3 einen Signalpegel LOW des Ausgangssignals (ALERT#). Dadurch sperrt der Transistor Q5. Dies verursacht ein Aufladen des Kondensators C6 aus der Standby-Versorgung (P3V3P_STBY) über die Widerstände R23 und R25.
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Der Kondensator C6 wirkt als Verzögerungsglied. Sobald der Kondensator C6 einen bestimmten Ladezustand erreicht hat (und die an C6 abfallende Spannung einen bestimmten Wert überschreitet), wird der weitere Transistor Q1 über die Diode D3 leitend geschaltet und zieht den Signalpegel an dessen Kollektoranschluss 3 auf einen Signalpegel LOW, der wiederum als Steuersignal 8 fungiert. Der Kondensator C6 ist beispielsweise derart dimensioniert, dass eine Ladekonstante mit einer zeitlichen Verzögerung von 8 ms eingestellt ist.
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Auf diese Weise ermittelt die Messschaltung 5 gemäß 3 eine Stromaufnahme des Computersystems, die als zeitliche Änderung des Stroms di/dt erkannt und über den Zeitraum von 8 ms gemittelt wird. Sofern die Stromaufnahme nach den 8 ms noch über dem Referenzpegel (Eingang 7 am Strommessverstärker 9) liegt, wird der Signalpegel des Steuersignals 8 über die Messschaltung 5 auf LOW gesetzt. Das Steuersignal 8 gibt somit an, dass die Leistungsaufnahme des Computersystems über dem vorgegebenen Grenzwert liegt. Sinkt dagegen die Stromaufnahme des Computersystems innerhalb von 8 ms wieder ab, so bleibt der Transistor Q1 im Sperrzustand (kein leitender Zustand der Diode D3), wodurch das Steuersignal 8 auf einem Signalpegel HIGH gehalten wird. In diesem Fall zeigt das Steuersignal 8 an, dass die Stromaufnahme den kritischen Grenzwert nicht überschreitet.
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Das Steuersignal 8 gemäß 3 dient beispielsweise als Ausgangssignal der Messschaltung 5 gemäß 2 zur entsprechenden Signalisierung an die Steuerung 6, wie oben erläutert worden ist, falls in einer beispielhaften Ausführung die Messschaltung 5 gemäß 3 in der Implementierung gemäß 2 eingesetzt wird. Das Computersystem kann derart konfiguriert sein, dass der Signalausgang 8 ignoriert wird, wenn kein Übergang in den oder Betrieb im Energiesparzustand angefordert ist.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Vergleichs einer Implementierung eines Bereitschaftszustands des Computersystems der oben erläuterten Art mit und ohne oben erläuterten Energiesparzustand. Im oberen Teil der 4 ist ein Bereitschaftszustand des Computersystems ohne Energiesparzustand der erläuterten Art dargestellt. Hierbei kann das Computersystem zwischen dem Hauptbetriebszustand 10 und dem Bereitschaftszustand 11 wechseln. Der Bereitschaftszustand 11 entspricht hierbei beispielsweise dem „Modern Standby“-Systemzustand. Im oberen Fall gemäß 4 befindet sich das Computersystem im Hauptbetriebszustand 10, solange zumindest eine gewisse Systemaktivität vorhanden ist. Der Hauptbetriebszustand 10 wird dabei eingenommen, wenn das System komplett eingeschaltet ist und alle Geräte aktiv sind (siehe Systemzustand 10a). Der Hauptbetriebszustand 10 ist jedoch auch aktiv, wenn das System im Standby befindlich ist und nur wenig Systemaktivität zu verzeichnen ist (siehe Systemzustand 10b). In diesem Fall geht das Computersystem nur dann in den Bereitschaftszustand 11 über, wenn das System im Standby ist und keine Systemaktivität verzeichnet wird. Nur in diesem Fall niedrigen Verbrauchs wird das Netzteil in Standby (Hilfsversorgungsbetrieb) geschaltet. In allen anderen Fällen ist das Netzteil im Hauptversorgungsbetrieb aktiv und versorgt das Computersystem mit elektrischer Energie.
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Der obere Fall gemäß 4 verdeutlicht somit, dass ohne einen erläuterten Energiesparzustand die elektrische Verbrauchsenergie im Netzteil des Computersystems nur dann reduziert werden kann, wenn der Bereitschaftszustand 11 eingenommen werden kann. Blockieren jedoch einige oder alle Komponenten oder Geräte des Computersystems den Übergang in den Bereitschaftszustand 11 oder befinden sich im Zustand einer geringen Systemaktivität, so verbleibt das Computersystem im Hauptbetriebszustand 10.
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Der untere Fall von 4 veranschaulicht dagegen einen Bereitschaftszustand mit einem erläuterten Energiesparzustand. In diesem Fall ist das Computersystem nur dann im Hauptbetriebszustand 10, wenn das System vollständig eingeschaltet ist und alle Geräte aktiv sind. In diesem Fall eines höheren Verbrauchs ist das Netzteil aktiv und befindet sich im Hauptversorgungsbetrieb (siehe Schritt S1 gemäß 1). Im unteren Fall gemäß 4 nimmt das Computersystem jedoch einen Energiesparzustand 12 ein, der leistungsabhängig eingenommen werden kann. Das bedeutet, dass der Energiesparzustand 12 bereits eingenommen wird, wenn das System eingeschaltet ist, jedoch einige Geräte in Bereitschaft sind (Systemzustand 12a). Bereits dann wird das Netzteil in Standby (Hilfsversorgungsbetrieb) geschaltet, wodurch ein niedrigerer Energieverbrauch erzielt wird. Je weniger Systemaktivität verzeichnet wird, desto tiefer geht das Computersystem in einen Standby-Zustand (Systemzustand 12b). Der Energiesparzustand 12 kann somit den Energieverbrauch weiter drosseln. Sobald das Computersystem vollständig in Standby ist und keine Systemaktivität verzeichnet wird, entspricht der Energiesparzustand 12 im unteren Fall von 4 dem Bereitschaftszustand 11. Im Energiesparzustand 12 sind im unteren Fall von 4 sämtliche Komponenten und Geräte des Computersystems beispielsweise analog zu einem Zustand S0 gemäß dem ACPI-Standard ansprechbar. Dies hat den Vorteil, dass keine weiteren softwareseitigen Implementierungen oder eine Gerätebeziehungsweise Treiberunterstützung notwendig sind.
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Die Übersicht gemäß 4 veranschaulicht, dass über die Steuerung des Computersystems in den erläuterten Energiesparzustand (siehe insbesondere Erläuterungen zu 1) bereits ein verminderter Verbrauch eingestellt werden kann, wenn das System noch aktiv ist, aber bereits einige Geräte in Bereitschaft geschaltet sind (ab Systemzustand 12a). Selbst wenn also gemäß dem unteren Szenario in 4 einzelne Komponenten oder Geräte des Computersystems einen Bereitschaftszustand 11 nicht zulassen würden, kann dennoch der Energieverbrauch des Computersystems erfindungsgemäß reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Computersystem
- 2
- Netzteil
- 3a-3d
- Spannungsregler
- 4a, 4b
- Komponenten
- 5
- Messschaltung
- 6
- Steuerung
- 7
- Chipsatz
- 8
- Steuersignal
- 9
- Strommessverstärker
- 10
- Hauptbetriebszustand
- 10a, 10b
- Systemzustände im Hauptbetriebszustand
- 11
- Bereitschaftszustand
- 12
- Energiesparzustand
- 12a, 12b
- Systemzustände im Energiesparzustand
- 13
- Fehlersignal
- 14
- Auslösesignal
- S1-S7
- Verfahrensschritte
