DE19983848B3

DE19983848B3 - Ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verwalten des Energieverbrauchs in einem Computersystem

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Publication number: DE19983848B3
Application number: DE19983848A
Authority: DE
Inventors: Ralph M. Sunnyvale Kling; Edward T. San Jose Grochowski
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: CN1344389A; CN1344389B; WO2000039661A1; GB2361326A; US20010003207A1; KR20020008110A; US6367023B2; GB2361326B; AU1922700A; GB0114526D0

Abstract

Ein Meßwert eines elektrischen Parameters (V¶CC¶), der näherungsweise proportional zu der von wenigstens einem Teil eines Computersystems verbrauchten Leistung ist, wird gewonnen. Dieser Meßwert wird dann verwendet, um zu bestimmen, ob die von dem Teil des Computersystems verbrauchte Leistung einen Schwellenwert erreicht (150).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verwalten des Energieverbrauchs in einem Computersystem und ein Computersystem mit einer ein solches Verfahren unterstützenden Steuereinrichtung.

Computersysteme, von kleinen elektronischen Handgeräten über mobile und Desktop-Systeme mittlerer Größe bis hin zu großen Servern und Workstations, werden zunehmend vorherrschend in unserer Gesellschaft. Computersysteme enthalten typischerweise einen oder mehrere Prozessoren. Ein Prozessor bearbeitet und steuert den Datenfluß in einem Computer durch Ausführung von Befehlen. Um leistungsfähigere Computersysteme für Konsumenten zur Verfügung zu stellen, streben Prozessorentwickler danach, die Betriebsgeschwindigkeit der Prozessoren kontinuierlich zu erhöhen. Unglücklicherweise neigt dann, wenn sich die Prozessorgeschwindigkeit erhöht, die von dem Prozessor verbrauchte Leistung dazu, sich ebenso zu erhöhen. Historisch wurde die von dem Prozessor verbrauchte Leistung durch zwei Faktoren beschränkt. Zunächst neigt der Prozessor, wenn sich der Leistungsverbrauch erhöht, dazu, heiß zu laufen, was zu thermischen Verlustleistungsproblemen führt. Zweitens verringert sich in dem Maße, wie sich der Leistungsverbrauch erhöht, die Batterielebensdauer mobiler Computersysteme, was zu weniger attraktiven Systemen für die Verbraucher führt.

Prozessor- und Computersystementwickler entwickelten zahlreiche Verfahren, um sich mit diesen Problematiken zu befassen. Beispielsweise implementieren Prozessorentwickler spezialisierte Schaltungsdesigntechniken, die den Energieverbrauch reduzieren. Darüber hinaus werden moderne Computersysteme so konstruiert, daß sie während einer bestimmten Zeitdauer Abschnitte des Systems, die nicht benötigt werden, abschalten. Beide Techniken sparen Energie und unterstützen eine Verlängerung der Batterielebensdauer.

Um die thermische Problematik anzugehen, werden häufig ausgeklügelte Wärmeableitungssysteme dem Prozessor hinzugefügt, um ein Ableiten der Wärme aus dem Prozessor in die Umgebung zu erleichtern. Einige Prozessorverkapselungen enthalten einen thermischen Sensor, um die Temperatur des Prozessors zu überwachen. Wenn die Prozessortemperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird der Prozessor in einen Niedrigenergiemodus gebracht, bis er sich abgekühlt hat. Wenn diese vorbeugenden Maßnahmen nicht durchgeführt würden, könnte der Prozessor sich selbst durch seine eigene Wärme zerstören.

Aus der Druckschrift US 5,719,800 A ist es bekannt, mit Hilfe einer Überwachungsschaltung die Verarbeitungsaktivität von Teilen einer integrierten Schaltung zu überwachen (beispielsweise durch Zählung von Taktzyklen, in denen eine Schaltung aktiv war) und bei Überschreiten eines bestimmten Aktivitätsniveaus ein Signal zu erzeugen, welches eine Reduktion des Energieverbrauchs auslöst. Aus JP 10094199 A ist es ferner bekannt, einen drohenden exzessiven Energieverbrauch eines Gesamtsystems zu vermeiden, indem der Energieverbrauch von Komponenten überwacht und ggf. die Versorgung von Komponenten abgeschaltet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Leistungsbedarf eines Computersystems an die Leistungsbelastbarkeit einer Netzspannungssteckdose anzupassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Computersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte und/oder bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente anzeigen und in welchen:
1 ein in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Computersystem ist;
1A ein Schaltregler in einer Spannungsversorgung gemäß 1 ist;
2A ein Graph ist, der den Gesamtleistungsverbrauch über der Zeit bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2B ein Graph ist, der den Gesamtleistungsverbrauch über der Zeit bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Computersystem ist, das einen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Prozessor enthält;
4 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zum Verringern des Energieverbrauchs eines Prozessors in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Ablaufdiagramm ist, daß das Verfahren gemäß 4 bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein Ablaufdiagramm ist, daß das Verfahren gemäß 4 bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7 ein Ablaufdiagramm ist, daß das Verfahren gemäß 4 bei einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der Energieverbrauch von Computersystemen erreicht gegenwärtig schnell den Punkt, an welchem die zum Betreiben des Systems erforderliche Energie nicht länger zuverlässig dem System geliefert werden kann. Dies beruht primär auf dem Umstand, daß ein oder mehrere Prozessoren, die in einem in eine Steckdose eingesteckten System enthalten sind, während einer überaktiven Periode mehr Leistung verbrauchen, als die Steckdose liefern kann. Unter dieser Bedingung kann die Sicherung oder der Schutzschalter, der die Steckdose schützt, während des normalen Betriebs des Systems ausgelöst (oder durchgebrannt) werden.
In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die von wenigstens einem Abschnitt eines Computersystems verbrauchte Leistung überwacht, indem ein Parameter gemessen wird, der näherungsweise proportional zu der verbrauchten Leistung ist, wie beispielsweise die Spannung, der Strom oder das Tastverhältnis eines Schaltsignals einer Spannungsversorgung. Diese Messungen werden einer Energiesteuereinrichtung zur Verfügung gestellt. Der überwachte Abschnitt des Computersystems kann einen oder mehrere Prozessoren des Computersystems sowie weitere integrierte Schaltungen (ICs) einschließen, die einen signifikanten Betrag der Energie verbrauchen, wie beispielsweise die Brücke (oder der "Chipsatz") oder das Video-Terminal.
Sobald die verbrauchte Leistung, wie sie von der Energiesteuereinrichtung bestimmt worden ist, einen Schwellenwert erreicht, wird ein Drosselungssignal zu einem oder mehreren ICs des Computersystems von der Steuereinrichtung gesendet. In Erwiderung des Empfangs dieses Drosselungssignals reduzieren einer oder mehrere der ICs ihren Leistungsverbrauch. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beispielsweise reduziert ein Prozessor des Computersystems in Abhängigkeit vom Empfang des Drosselungssignals seine Kernfrequenz, während er eine gleichbleibende Busfrequenz aufrechterhält. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel hält der Prozessor in Erwiderung des Empfangs des Drosselungssignals sämtliche oder einen Teil einer oder mehrerer Pipelines an oder gibt Keine-Operationen (no-ops) an eine oder mehrere Pipelines aus.
Durch direktes Überwachen des Leistungsverbrauchs oder eines dazu proportionalen Werts werden die Ungenauigkeiten vermieden, die auf eine schlechte Positionierung von Tempe ratursensoren in der Nähe des Prozessors zurückzuführen sind. Darüber hinaus wird die Reaktionszeit zwischen dem Erfassen eines Hochleistung-Zustands und dem Verringern des Leistungsverbrauchs des Computersystems beträchtlich gegenüber der Verwendung von Temperatursensoren zum Erfassen des Hochleistung-Zustands verbessert. Eine detailliertere Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einschließlich verschiedener Konfigurationen und Implementierungen wird unten zur Verfügung gestellt.
1 ist ein Mehrprozessorcomputersystem, das in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Eine primäre Brücke 110 ist mit den Prozessoren 100 und 101 über einen Systembus gekoppelt. Die Brücke 110 wird verwendet, um die Prozessoren mit dem Hauptspeicher 115 und mit den Peripheriekomponenten 120 und 130 über einen Peripheriebus zu koppeln. Eine sekundäre Brücke 125 koppelt den externen Speicher 140 und das Video-Terminal 145 mit dem Peripheriebus.
Die Peripheriekomponenten 120 und 130 gemäß 1 können Audio- und Video-Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen einschließen, wie beispielsweise Audio/Video-Generatoren, -Beschleuniger oder -Analysierer. Der externe Speicher 140 kann eine Festplatte, ein Diskettenlaufwerk, ein Bandlaufwerk oder ein anderes nicht-flüchtiges maschinenlesbares Speichermedium einschließen. Das Video-Terminal 145 kann eine beliebige Videoanzeigeeinrichtung, wie beispielsweise ein Kathodenstrahlröhren(CRT)-Terminal oder eine Flachpaneelanzeige, wie beispielsweise eine Flüssigkeitkristallanzeige (LCD), einschließen. Der Hauptspeicher 115 kann einen dynamischen RAM (DRAM), einen statischen RAM (SRAM), einen Flash-EPROM oder ein anders Hochgeschwindigkeitsspeichermedium hoher Kapazität einschließen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Computersystem gemäß 1 derart modifiziert sein, daß es ein Ein-Prozessor-System ist oder daß es mehr als zwei Prozessoren enthält.
Jede Einrichtung des Computersystems gemäß 1 wird durch eine Stromversorgung V_CC mit Energie versorgt, und diese Leistung wird durch ein Meßgerät überwacht. Eine Energiesteuereinrichtung 150 (power controller) ist mit jeder Einrichtung und mit jedem Meßgerät gekoppelt. Man beachte, daß jede Einrichtung einen oder mehrere ICs enthalten kann, die Leistung verbrauchen. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält das Computersystem eine oder mehrere unabhängige Spannungsversorgungen, von denen jede Energie einem oder mehreren ICs zur Verfügung stellt. Eine Meßeinrichtung kann die durch einen einzelnen IC oder eine beliebige Anzahl von ICs verbrauchte Leistung überwachen. Bei einem einfacheren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann wenigstens ein Meßgerät mit nur einer ausgewählten Anzahl von ICs gekoppelt sein, wobei der Leistungsverbrauch dieser ausgewählten ICs überwacht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann es sich als vorteilhaft herausstellen, daß die überwachten ICs diejenigen ICs sind, die den größten Teil der Leistung in dem Computersystem verbrauchen. Beispielsweise könnte es sein, daß nur die von dem Prozessor A 100 und dem Prozessor B 101 allein oder zusätzlich die von der Brücke 110, dem Video-Terminal 145 und dem externen Speicher 140 verbrauchte Leistung überwacht wird. Zusätzlich kann die Energiesteuereinrichtung 150 mit sämtlichen oder mit nur einer ausgewählten Anzahl der ICs oder Meßeinrichtungen gekoppelt sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Energiesteuereinrichtung 150 gemäß 1 ein Stand-Alone-IC oder eine in einem anderen IC enthaltene Einheit. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise könnte die Energiesteuereinrichtung 150 in einer Brücke oder einem Prozessor des Computersystems enthalten sein. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Energiesteuereinrichtung ein von einem Prozessor des Computersystems ausgeführter Software code zum Implementieren der oben beschriebenen Funktionalität.
Eine oder mehrere der Meßeinrichtungen des Computersystems gemäß 1 überwachen den Leistungsverbrauch durch Messen eines Parameters, der näherungsweise proportional zu der von einem oder mehreren ICs verbrauchten Leistung ist. Diese Meßergebnisse werden dann der Energiesteuereinrichtung 150 zur Verfügung gestellt. Beispielsweise könnte eine Meßeinrichtung die Leistung, den Strom oder die Spannung messen. Der aktuelle Verbrauch könnte magnetisch, beispielsweise durch Hall-Effekt-Sensoren gemessen werden, die die Induktion messen. Alternativ kann der Spannungsabfall über einem bekannten Widerstand gemessen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel, in welchem eine Spannungsversorgung einen Schaltregler enthält, können ein oder mehrere Parameter des Schaltsignals durch die zugeordnete Meßeinrichtung gemäß 1 gemessen werden. 1A stellt einen Schaltregler in einer Spannungsversorgung gemäß 1 dar. Wie es in 1A gezeigt ist, wird das Wechselspannungssignal aus der Steckdose durch die Eingangsschaltung 160 gleichgerichtet, gefiltert und aufbereitet. Alternativ könnte bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchen zwei oder mehrere Spannungsversorgungen kaskadiert werden, die Eingabe in die Schaltung 160 das Gleichspannungsversorgungssignal aus einer anderen Spannungsversorgung sein. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel braucht das Versorgungssignal nicht durch die Eingangsschaltung 160 gleichgerichtet zu werden.
Das sich ergebende Gleichspannungsversorgungssignal hoher Spannung aus der Eingangsschaltung 160 wird durch die Schalttransistoren 161 und 162 unter der Steuerung des Impulsbreitenmodulators 163 pulsmoduliert. Der Modulator 163 steuert die Versorgungssignalmodulation durch Bereitstellen eines Schaltsignals an die Basen der Transistoren. Das sich ergebene pulsierende Versorgungssignal wird dem Transformator 164 zur Verfügung gestellt, dessen Ausgangssignal durch die Ausgangsschaltung 165 gleichgerichtet, gefiltert und aufbereitet wird. Das resultierende Gleichspannungsversorgungssignal V_CC wird einem oder mehreren ICs des Computersystems zur Verfügung gestellt und an den Impulsbreitenmodulator 163 zurückgekoppelt. Dieses Rückkopplungssignal wird von dem Modulator 163 überwacht, damit dieser die Impulsbreite des Schaltsignals regeln kann. Wenn V_CC unter die gewünschte Ausgangsspannung fällt, erhöht der Modulator 163 die Impulsbreite. Wenn V_CC über die gewünschte Ausgangsspannung ansteigt, senkt der Modulator die Impulsbreite ab.
Einer oder mehrere Parameter des Schaltsignals, das von dem Modulator 163 an die Basen der Schalttransistoren 161 oder 162 zur Verfügung gestellt wird, können proportional zu der Leistung oder dem Strom sein, der von dem mit dem V_CC-Ausgangssignal gekoppelten ICs verbraucht wird. Beispielsweise kann die Impulsbreite oder das Tastverhältnis (beide werden hier als Tastverhältnis bezeichnet) proportional zu dem Energieverbrauch sein. Folglich wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Tastverhältnis des Schaltsignals durch die zugehörige Meßeinrichtung gemäß 1 gemessen, und dieses Meßergebnis wird der Energiesteuereinrichtung 150 zur Verfügung gestellt. Das Tastverhältnis kann aus dem zu einem oder zu beiden Basen der Schalttransistoren zur Verfügung gestellten Schaltsignal gemessen werden. Alternativ kann der Impulsbreitenmodulator 163 ein separates Signal zur Verfügung stellen, das das Tastverhältnis des Schaltsignals anzeigt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Tastverhältnis des Schaltsignals indirekt gemessen, indem das Tastverhältnis des gepulsten Versorgungssignals gemessen wird, das von den Schalttransistoren an den Transformator 164 zur Verfügung gestellt wird.
Es wird wieder auf 1 Bezug genommen; die Meßergebnisse aus den Meßgeräten können in ein digitales Format zur Verarbeitung durch die Energiesteuereinrichtung 150 konvertiert werden. Alternativ können dann, wenn die Energiesteu ereinrichtung 150 eine Analogschaltung enthält, die Meßergebnisse als analoge Ströme oder Spannungspegel bestehen bleiben.
Die Energiesteuereinrichtung 150 sammelt die Meßergebnisse aus dem einen oder den mehreren der Meßeinrichtungen des Computersystems gemäß 1 und berechnet die von dem Abschnitt des Computersystems, der die zugeordneten ICs aufweist, verbrauchte Gesamtleistung. Alternativ kann die Energiesteuereinrichtung 150 eine Summe eines beliebigen Werts, wie beispielsweise eines Stroms, einer Spannung oder eines Tastverhältnisses berechnen, die proportional zu der von dem Abschnitt des Computersystems verbrauchten Gesamtleistung ist. Wenn die verbrauchte Gesamtleistung einen Schwellenwert erreicht oder wenn die Summe eines Werts, die proportional zu der verbrauchten Gesamtleistung ist, einen Schwellenwert erreicht, sendet die Steuereinrichtung 150 ein Drosselungssignal an einen oder mehrere ICs des Computersystems. In Erwiderung des Empfangs eines Drosselungssignals reduziert ein IC seinen Leistungsverbrauch. Man beachte, daß zur Vereinfachung der Begriff "Leistung", wie er nachfolgend verwendet wird, entweder die tatsächliche Leistung oder einen Wert, wie beispielsweise den Strom, die Spannung, das Tastverhältnis oder ein anderer Meßwert, der proportional zu der Leistung ist, einschließt.
Die ICs, die das Drosselungssignal empfangen und daraufhin ihren Energieverbrauch reduzieren, können durch die Energiesteuereinrichtung 150 gemäß 1 auf irgendeine einer Reihe verschiedener Weisen ausgewählt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sendet die Energiesteuereinrichtung 150 ein Drosselungssignal zu dem einen oder den mehreren ICs, der bzw. die den größten Teil der Leistung in dem Computersystem verbrauchen. Beispielsweise könnte bei diesem Ausführungsbeispiel das Drosselungssignal zu einem oder zu beiden Prozessoren 100 bzw. 101 gesendet werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sendet die Energiesteuereinrichtung 150 ein Drosselungs signal zu dem einen oder den mehreren ICs, die einen geringen Einfluß auf den Betrieb des Computersystems haben. Beispielsweise könnte bei diesem Ausführungsbeispiel das Drosselungssignal zu dem Video-Terminal 145 oder dem externen Speicher 140 gesendet werden. Bei einem anderen Beispiel dieses Ausführungsbeispiels könnte das Drosselungssignal zu einer oder zu beiden Peripheriekomponenten 120 bzw. 130 gesendet werden, sofern diese Einrichtungen entweder inaktiv oder für die unmittelbar bevorstehende Ausführung von Befehlen in den Prozessoren 100 oder 101 nicht erforderlich sind.
2A ist ein Graph, der den Gesamtleistungsverbrauch über der Zeit für das gesamte oder einen Abschnitt des Computersystems gemäß 1 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Die nach oben weisenden Spitzen in dem Graph zeigen Perioden der Überaktivität durch einen oder mehrere ICs des Computersystems, typischerweise der Prozessoren, an. Der obere Schwellenwert, der in der Energiesteuereinrichtung gesetzt wird, ist als obere Grenzlinie in dem Graph gemäß 2A gezeigt. Dieser Schwellenwert kann permanent in der Energiesteuereinrichtung eingestellt sein oder kann durch den Systementwickler oder den Systembenutzer über Software oder eine Hardwaresteuerung modifizierbar sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die obere Grenze ein konstanter Wert, wie es in 2A gezeigt ist. Dieser konstante Wert kann einer näherungsweise maximalen Leistung zugeordnet sein, die zuverlässig durch das Computersystem aus einer Steckdose, in welche das System eingesteckt ist, verbraucht werden kann, bevor die Sicherung oder die Schutzschaltung der Steckdose ausgelöst wird. Dieser Wert kann beispielsweise dadurch geändert werden, daß die in dem Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS) des Computers gespeicherten Einstellungen modifiziert werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Schwellenwert nicht ausschließlich eine Funktion der verbrauchten Gesamtleistung, sondern eher eine Funktion so wohl der verbrauchten Gesamtleistung als auch der Zeit. Beispielsweise sind einige Netzsteckdosen in der Lage, einen Hochleistungs-Zustand für begrenzte Zeitdauern zu tragen, bevor ihr Schutzschalter auslöst. In diesen Fällen könnte der Gesamtleistungswert über eine Zeitperiode integriert und mit einem Schwellenwert verglichen werden, der den Gesamtleistungslieferungsspezifikationen der Steckdose zugeordnet ist. Bei diesem Beispiel können die Leistungsspitzen für begrenzte Zeitdauern toleriert werden.
Sobald der Schwellenwert erreicht ist, sendet die Energiesteuereinrichtung ein Drosselungssignal zu einem oder zu mehreren ICs des Computersystems. Wenn ein IC seinen Leistungsverbrauch in Erwiderung des Drosselungssignals reduziert, wird der Gesamtleistungsverbrauch, wie er von der Energiesteuereinrichtung berechnet wird, reduziert, wie es in 2A gezeigt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2A wird das Drosselungssignal, sobald es ausgelöst wurde, kontinuierlich angelegt, bis der Gesamtleistungsverbrauch, wie er von der Energiesteuereinrichtung berechnet wird, den von der unteren Grenzlinie angezeigten unteren Schwellenwert erreicht. Sobald dieser untere Schwellenwert erreicht ist, kann das Drosselungssignal weggenommen werden, und in Erwiderung dessen nimmt der IC seinen normalen Betrieb wieder auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann der untere Schwellenwert auf einen vorgegebenen Wert gesetzt werden, der so ausgewählt ist, daß er eine Hysterese zur Verfügung stellt, um das Auftreten der Leistungsoszillation zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert zu reduzieren. Dieser untere Schwellenwert kann in der Energiesteuereinrichtung oder in dem IC, der das Drosselungssignal empfängt, fest verdrahtet werden. Alternativ kann der untere Schwellenwert von einem Benutzer modifizierbar sein oder in dem Computersystem automatisch eingestellt werden, um beispielsweise die Leistungsoszillation zu reduzieren.
2B ist ein Graph, der den Gesamtleistungsverbrauch über der Zeit für das gesamte oder einen Abschnitt des Computersystems gemäß 1 in Übereinstimmung mit einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Graph gemäß 2B ist ähnlich dem Graphen gemäß 2A mit der Ausnahme, daß bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2B das Drosselungssignal, sobald es ausgelöst worden ist, kontinuierlich für eine vorgegebene Zeitdauer 200 angelegt bleibt. Sobald diese vorgegebene Zeitdauer 200 abgelaufen ist, kann das Drosselungssignal weggenommen werden und der IC nimmt in Erwiderung dessen den normalen Betrieb wieder auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die vorgegebene Zeitdauer so ausgewählt werden, daß sie das Auftreten der Oszillation des Gesamtleistungsverbrauchs reduziert. Diese vorgegebene Zeitdauer 200 kann in der Energiesteuereinrichtung oder in dem IC, der das Drosselungssignal empfängt, fest verdrahtet sein. Alternativ kann die vorgegebene Zeitdauer 200 durch einen Benutzer modifizierbar sein oder automatisch in dem Computersystem eingestellt werden, um beispielsweise die Leistungsoszillation zu reduzieren.
3 ist ein Computersystem, das einen Prozessor 310 enthält, der in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Ein Systemtaktgeber 301 und eine Drosselungssignalleitung sind mit dem Taktsynchronisierer 311 des Prozessors 310 gekoppelt. Der Prozessor 310 enthält eine Busschnittstelle 312 und einen Kern mit einer Pipeline 313. Die Busschnittstelle 312 und die Pipeline 313 empfangen separate Taktsignale aus dem Taktsynchronisierer 311. Eine Synchronisationseinheit 314 der Busschnittstelle 312 ist mit dem Eingang und dem Ausgang der Pipeline 313 gekoppelt und übermittelt Daten zu anderen ICs über den Systembus 320.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung empfängt der Taktsynchronisierer 311 gemäß 3 einen Systemtakt 301 und multipliziert die Systemtaktfrequenz mit einem festen Verhältnis, um eine Busfrequenz zu erzeugen, die der Busschnittstelle 312 zur Verfügung gestellt wird. Andere (nicht gezeigte) ICs, die mit dem Bus 320 gekoppelt sind, kommunizieren mit dem Prozessor 310 bei dieser Busfrequenz. Der Taktsynchronisierer 311 multipliziert darüber hinaus die Systemtaktfrequenz mit einem zweiten Verhältnis, um eine viel höhere Frequenz zu erzeugen, die Kernfrequenz genannt wird. Die Kernfrequenz wird der Pipeline 313 zur Verfügung gestellt. Die Pipeline 313 arbeitet bei dieser Kernfrequenz. Die Synchronisationseinheit 314 enthält eine Synchronisationslogik, um Daten zu der Pipeline 313 bei der Kernfrequenz und zu der Busschnittstelle 312 bei der Busfrequenz zu übermitteln.
Wenn ein Drosselungssignal von dem Taktsynchronisierer 311 gemäß 3 empfangen wird, wird die Kernfrequenz reduziert, indem die Systemtaktfrequenz mit einem dritten Verhältnis multipliziert wird, um eine reduzierte Kernfrequenz zu erzeugen, die langsamer als die ursprüngliche Kernfrequenz ist. Diese verringerte Kernfrequenz wird der Pipeline 313 zur Verfügung gestellt, welche dann bei dieser verringerten Kernfrequenz arbeitet. Wenn das Drosselungssignal weggenommen wird, wird die Kernfrequenz erhöht auf ihren ursprünglichen Wert, indem die Systemtaktfrequenz mit dem zweiten Verhältnis multipliziert und die sich ergebende hohe Kernfrequenz an die Pipeline 313 angelegt wird. Während dieser Kernfrequenzmanipulation bleibt die der Busschnittstelle 312 zur Verfügung gestellte Busfrequenz gleichmäßig. Somit fährt das Computersystem, obwohl die Betriebsfrequenz (Kernfrequenz) des Prozessors 310 in Abhängigkeit von dem Drosselungssignal eingestellt wird, damit fort, ungestört zu arbeiten, weil der Prozessor 310 mit den anderen ICs, die mit dem Bus 320 gekoppelt sind, bei der gleichbleibenden Busfrequenz kommuniziert.
Die Verringerung der Kernbetriebsfrequenz des Prozessors 310 gemäß 3 verringert die von dem Prozessor 310 verbrauchte Leistung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung könnte ein plötzlicher Übergang zwischen Kernfrequenzen des Prozessors 310 durch schnelles Umschalten zwischen zwei Multiplikationsverhältnissen innerhalb des Taktsynchronisierers 311 in Erwiderung des Drosselungssignals erreicht werden. Ein langsamerer, sanfter Übergang zwischen Kernfrequenzen könnte erreicht werden, indem verschiedene Multiplikationsverhältnisse zwischen der hohen und der geringen Kernfrequenz durchschritten werden. Ein schneller Frequenzübergang kann wünschenswert sein, um eine gute Reaktionszeit auf die Erfassung eines Hochleistung-Zustands durch die Energiesteuereinrichtung zur Verfügung zu stellen. Ein langsamerer Frequenzübergang kann wünschenswert sein, um Energieversorgungseinschwingvorgänge zu reduzieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Geschwindigkeit des Frequenzübergangs ausgewählt werden, um das Auftreten einer Oszillation des Gesamtleistungsverbrauchs zu reduzieren. Die Frequenzübergangsgeschwindigkeit kann in dem Prozessor fest verdrahtet, durch einen Benutzer modifizierbar sein oder automatisch in dem Computersystem so eingestellt werden, daß beispielsweise die Leistungsoszillation reduziert wird. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hält in Erwiderung des Anlegens eines Drosselungssignals der Prozessor 310 gemäß 3 die gesamte oder ein Teil der Pipeline 313 an. Das Anhalten (auch Einfrieren oder Halten genannt) einer Pipeline verringert signifikant den Leistungsverbrauch des Prozessors, da keine oder wenige Befehle ausgeführt werden, während der Prozessor angehalten ist. Alternativ wird der an die angehaltene Pipeline oder den Pipelineabschnitt gelieferte Takt ausgeschaltet. Das Anhalten der Pipeline wird bei Wegnehmen des Drosselungssignals beendet. Das Anhalten kann global sein, wobei sämtliche Pipelines in dem Prozessor 310 angehalten werden, oder lokal, wobei nur ausgewählte Pipelines angehalten werden. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem ein lokales Anhalten implementiert ist, kann es durch den Prozessorentwickler bestimmt und in dem Prozessor fest verdrahtet werden, welche Pipeline oder welcher Abschnitt der Pipeline angehalten wird. Alternativ kann diese Bestimmung durch einen Benutzer modifizierbar sein oder automatisch durch den Prozessor ausgewählt werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gibt in Erwiderung des Anlegens eines Drosselungssignals der Prozessor 310 gemäß 3 Keine-Befehle an die Pipeline 313 aus. Ein Kein-Befehl (no-op) erfordert geringe oder keine Bedienung oder Aktivität durch den Prozessor bei seiner Ausführung, so daß der Prozessor zum Ausführen des Kein-Befehls nur einen Bruchteil der Leistung, z. B. weniger als die Hälfte, gegenüber der Ausführung der meisten anderen Befehle erfordert. Alternativ wird der der Pipeline oder dem Pipelineabschnitt, der den No-Op ausführt, gelieferte Takt ausgeschaltet. Die normalen Befehle des Programmcodes werden bei Wegnehmen des Drosselungssignals erneut an die Pipeline ausgegeben. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird während des Anlegens des Drosselungssignals eine Mischung sowohl von "Keine-Befehlen" (no-ops) als auch normalen Befehlen an die Pipeline ausgegeben. Die relative Mischung zwischen Keine-Befehlen und Befehlen kann von dem Prozessorentwickler vorgegeben und in dem Prozessor fest verdrahtet sein. Alternativ kann diese Bestimmung von einem Benutzer modifizierbar sein oder automatisch durch den Prozessor ausgewählt werden.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Reduzieren des Leistungsverbrauchs eines Prozessors in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Schritt 400 wird die von dem Prozessor verbrauchte Leistung oder ein zu der Leistung proportionaler Parameter gemessen. Diese Leistung kann durch eine Meßeinrichtung gemessen werden und der Wert entweder in digitaler oder analoger Form einer Energiesteuereinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise könnte ein Amperemeter eine Messung des von dem Prozessor verbrauchten Stroms der Energiesteuereinrichtung zur Verfügung stellen. Als nächstes bestimmt im Schritt 405 die Energiesteuereinrichtung, ob die Leistung einen oberen Schwellenwert erreicht hat. Wenn die Leistung den Schwellenwert nicht erreicht, wird der normale Betrieb im Schritt 400 fortgesetzt. Wenn jedoch die Leistung den Schwellenwert erreicht hat, dann wird im Schritt 410 die von dem Prozessor verbrauchte Leistungsmenge reduziert. Diese Reduktion kann in Erwiderung eines Drosselungssignals ausgeführt werden, das von der Energiesteuereinrichtung an den Prozessor gesendet wird.
Als nächstes bestimmt im Schritt 415 gemäß 4 die Energiesteuereinrichtung, ob die Leistung einen unteren Schwellenwert erreicht hat. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bestimmt die Energiesteuereinrichtung alternativ oder zusätzlich, ob eine vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, seitdem der Leistungsverbrauch im Schritt 410 reduziert worden ist. Wenn sich die Bestimmung als falsch erweist, dann wird der Leistungsverbrauch weiterhin reduziert (oder es wird bei einem alternativen Ausführungsbeispiel in einem reduzierten Zustand fortgefahren) im Schritt 410, bis die Bestimmung im Schritt 415 wahr ergibt. Sobald die Leistung einen unteren Schwellenwert erreicht hat oder die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, wird der normale Betrieb im Schritt 420 wieder aufgenommen, und das Verfahren kehrt zum Schritt 400 zurück.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren gemäß 4 bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Beim Schritt 500 wird ein Prozessorkern bei einer hohen Kernfrequenz betrieben, während der Prozessor mit anderen ICs des Computersystems über einen bei einer Busfrequenz arbeitenden Bus kommuniziert. Als nächstes wird im Schritt 505 bestimmt, ob der Prozessor ein Drosselungssignal empfangen hat. Dieses Drosselungssignal kann an den Prozessor durch eine Energiesteuereinrichtung gesendet werden, wenn diese feststellt, daß die von dem gesamten oder einen Teil des Computersystems verbrauchte Gesamtleistung einen Schwellenwert erreicht hat. Wenn der Prozessor kein Drosselungssignal empfängt (oder ein weggenommenes Drosselungssignal empfängt), wird der normale Betrieb des Prozessors bei der hohen Kernfrequenz fortgesetzt. Wenn jedoch der Prozessor das Drosselungssignal empfängt, dann wird im Schritt 510 die Kernfrequenz des Prozessors reduziert. Der Bus fährt fort, mit den anderen ICs des Computersystems über den bei der ursprünglichen Busfrequenz arbeitenden Bus zu kommunizieren.
Als nächstes wird im Schritt 515 gemäß 5 bestimmt, ob das Drosselungssignal an den Prozessor weggenommen worden ist. Die Frequenz wird in dem reduzierten Zustand im Schritt 510 gehalten, bis das Drosselungssignal weggenommen wird. Sobald das Drosselungssignal im Schritt 515 weggenommen worden ist, nimmt der Prozessor den normalen Betrieb bei der hohen Kernfrequenz im Schritt 520 wieder auf, und das Verfahren kehrt zum Schritt 500 zurück.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren gemäß 4 bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Schritt 600 wird ein Prozessor betrieben, indem kontinuierlich Befehle ausgegeben und diese Befehle über die Prozessorpipeline ausgeführt werden. Die durch den Prozessor verbrauchte Leistung wird kontinuierlich während dieses Betriebs gemessen und durch eine Energiesteuereinrichtung überwacht. Als nächstes bestimmt im Schritt 605 die Energiesteuereinrichtung, ob die Leistung einen oberen Schwellenwert erreicht hat. Sofern die Leistung den oberen Schwellenwert nicht erreicht hat, wird der normale Betrieb des Prozessors fortgesetzt. Wenn die Leistung jedoch den oberen Schwellenwert erreicht hat, dann wird im Schritt 610 die gesamte oder ein Teil der Prozessorpipeline angehalten, um den Leistungsverbrauch des Prozessors zu reduzieren.
Als nächstes bestimmt im Schritt 615 gemäß 6 die Energiesteuereinrichtung, ob die Leistung einen unteren Schwellenwert erreicht hat, oder alternativ kann die Energiesteuereinrichtung bestimmen, ob eine vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, seitdem die Pipeline im Schritt 610 angehalten worden ist. Die Pipeline wird weiter im Schritt 610 angehalten, bis die Leistung einen unteren Schwellenwert erreicht hat oder die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist. Sobald der untere Schwellenwert erreicht wird oder die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, wird der normale Betrieb 620 wieder aufgenommen (z. B. das Anhalten der Pipeline beendet), und das Verfahren kehrt zum Schritt 600 zurück.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren gemäß 4 bei einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Schritt 700 wird ein Prozessor betrieben, indem kontinuierlich Befehle ausgegeben und diese Befehle über die Prozessorpipeline ausgeführt werden. Die von dem Prozessor verbrauchte Leistung wird kontinuierlich während dieses Betriebs gemessen und durch eine Energiesteuereinrichtung überwacht. Als nächstes bestimmt die Energiesteuereinrichtung im Schritt 705, ob die Leistung einen oberen Schwellenwert erreicht hat. Sofern die Leistung den oberen Schwellenwert nicht erreicht hat, wird der normale Betrieb des Prozessors fortgesetzt. Sofern jedoch die Leistung den Schwellenwert erreicht hat, werden dann im Schritt 710 Keine-Befehle (No-op-Befehle) in die Prozessorpipeline eingefügt, um den Leistungsverbrauch des Prozessors zu reduzieren.
Als nächstes bestimmt im Schritt 715 gemäß 7 die Energiesteuereinrichtung, ob die Leistung einen unteren Schwellenwert erreicht hat, oder alternativ kann die Energiesteuereinrichtung bestimmen, ob eine vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, seitdem Keine-Befehle in die Pipeline im Schritt 710 eingefügt worden sind. Keine-Befehle werden weiterhin in die Pipeline im Schritt 710 eingefügt, bis die Leistung einen unteren Schwellenwert erreicht hat oder die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist. Sobald der untere Schwellenwert erreicht wird oder die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, wird der normale Betrieb im Schritt 720 wieder aufgenommen (z. B. der normale Befehlsfluß erneut in die Pipeline ausgegeben), und das Verfahren kehrt zum Schritt 700 zurück.

Claims

Ein Verfahren zum Verwalten des Energieverbrauchs in einem Computersystem, umfassend: Gewinnen eines Meßwerts eines Parameters, der näherungsweise proportional zu der von wenigstens einem Abschnitt des Computersystems verbrauchten Leistung ist; und Verwenden des Meßwerts, um zu bestimmen, ob die von dem Abschnitt des Computersystems verbrauchte Leistung einen Schwellenwert erreicht hat, wobei der Schwellenwert einer Leistungslieferungsspezifikation einer Netzspannungssteckdose, in welche das Computersystem eingesteckt ist, zugeordnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Senden eines Drosselungssignals, sofern die von dem Abschnitt des Computersystems verbrauchte Leistung einen Schwellenwert erreicht hat.
Das Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Reduzieren der von dem Abschnitt des Computersystems verbrauchten Leistung in Erwiderung des Empfangs des Drosselungssignals durch eine integrierte Schaltung (IC).
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Reduzieren der von dem Abschnitt des Computersystems verbrauchten Leistung das Reduzieren einer an die integrierte Schaltung angelegten Taktfrequenz oder Spannung umfaßt.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Gewinnen des Meßwerts das Messen eines Tastverhältnisses eines Schaltsignals in einer mit einem Prozessor gekoppelten Spannungsversorgung umfaßt und wobei das Reduzieren der Leistung das Reduzieren der von dem Prozessor verbrauchten Leistung in Erwiderung des Empfangs des Drosselungssignals durch den Prozessor umfaßt.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Gewinnen des Meßwerts das Messen eines Tastverhältnisses eines Schaltsignals in einer Spannungsversorgung umfaßt, die die Leistung liefert, und wobei das Reduzieren der Leistung das Reduzieren der von der integrierten Schaltung verbrauchten Leistung in Erwiderung des Drosselungssignals umfaßt, wobei die Leistung derjenigen integrierten Schaltung reduziert wird, die gerade einen geringen Einfluß auf den laufenden Betrieb des Computersystems hat.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gewinnen des Meßwerts das Messen eines Tastverhältnisses eines Schaltsignals in einer Spannungsversorgung, die mit dem Abschnitt des Computersystems gekoppelt ist, einschließt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden des Meßwerts die Bestimmung einschließt, ob die von dem Abschnitt des Computersystems verbrauchte Leistung einen Schwellenwert erreicht, der als ein konstanter Wert vorgegeben ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden des Meßwerts die Bestimmung einschließt, ob die von dem Abschnitt des Computersystems verbrauchte Leistung einen Schwellenwert erreicht, der als Funktion der Zeit berechnet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei: ein erster Parameter, der proportional zu der von einem ersten Abschnitt des Computersystems verbrauchten Leistung ist, und ein zweiter Parameter, der proportional zu der von einem zweiten Abschnitt des Computersystems verbrauchten Leistung ist, gemessen werden; ein Drosselungssignal an eine integrierte Schaltung (IC) des Computersystems gesendet wird, sofern eine Berechnung, die wenigstens den ersten und den zweiten Parameter kombiniert, den Schwellenwert erreicht hat; und die von der integrierten Schaltung verbrauchte Leistung in Erwiderung des Empfangs des Drosselungssignals reduziert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Bestimmen, ob die Berechnung einen Schwellenwert erreicht, der als ein vom Benutzer definierter Wert vorgegeben wird, wobei der Wert der Leistungslieferungsspezifikation der Steckdose, in welche das Computersystem eingesteckt ist, zugeordnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Bestimmen, ob die Berechnung einen Schwellenwert erreicht, der als Funktion der Zeit berechnet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Computersystem ein Multiprozessor-Computersystem ist, in welchem der erste Abschnitt einen ersten Prozessor und der zweite Abschnitt einen zweiten Prozessor enthält.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Messen des ersten Parameters das Messen eines Tastverhältnisses eines Schaltsignals einer ersten Spannungsversorgung, die mit dem ersten Abschnitt des Computersystems gekoppelt ist, und das Messen des zweiten Parameters das Messen eines Tastverhältnisses eines Schaltsignals einer zweiten Spannungsversorgung, die mit dem zweiten Abschnitt des Computersystems gekoppelt ist, umfaßt.
Ein Computersystem, aufweisend: eine Spannungsversorgung zum Liefern einer durch zumindest einen Teil des Computersystems verbrauchten Leistung; eine mit der Spannungsversorgung gekoppelte Meßeinrichtung zum Messen eines Werts eines Parameters, der näherungsweise proportional der Leistung ist; und eine Steuereinrichtung zum Senden eines Drosselungssignals an eine integrierte Schaltung (IC) des Computersystems, sofern ein unter Verwendung des Werts berechneter Betrag einen Schwellenwert erreicht, wobei der Schwellenwert einer Leistungslieferungsspezifikation einer Netzspannungssteckdose, in welche das Computersystem eingesteckt ist, zugeordnet ist.
Das Computersystem nach Anspruch 15, wobei die integrierte Schaltung ein Prozessor ist.
Das Computersystem nach Anspruch 15, wobei der Parameter ein Tastverhältnis eines Schaltsignals der Spannungsversorgung ist.
Das Computersystem nach Anspruch 15, wobei die Steuereinrichtung in einer Brücke des Computersystems enthalten ist.
Das Computersystem nach Anspruch 15, wobei der Schwellenwert als ein Wert vorgegeben ist, der näherungsweise einer Maximalleistung zugeordnet ist, die von dem Computersystem verbraucht werden kann.
Das Computersystem nach Anspruch 15, wobei der Schwellenwert eine Funktion der Zeit ist.
Das Computersystem nach Anspruch 15, wobei der Parameter ein Strom von der Spannungsversorgung zu dem Teil des Computersystems ist.
Das Computersystem nach Anspruch 15, wobei der Parameter eine über einem zwischen der Spannungsversorgung und dem Teil des Computersystems angeordneten Widerstand abfallende Spannung ist.