FI95847C - Menetelmä ja toteutus sähköisen järjestelmän tehonkulutuksen säätämiseksi - Google Patents

Description

5 95847

Menetelmä ja toteutus sähköisen järjestelmän tehonkulutuksen säätämiseksi - Förfarande för och förverkligande av juste-ring av effektförbrukningen hos ett elektriskt system

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää ja toteutusta sähköisen järjestelmän tehonkulutuksen säätämiseksi kellotaajuutta muuttamalla, jossa järjestelmässä on piirejä, joita ohjataan jollakin kellosignaalilla.

10

Paristokäyttöisissä laitteistoissa on tärkeätä minimoida tehonkulutus pariston iän ja siten laitteiston käyttöajan pidentämiseksi. Elektronisen laitteiston tehonkulutukseen voidaan vaikuttaa monella eri tavalla. Erityisesti CMOS-piirejä 15 käsittäville laitteistoille on ominaista se, että tehonkulutus on kellotaajuuden lineaarinen funktio. Tämän takia kellotaajuus halutaan vaihtaa, esimerkiksi pienentää, monissa elektronisissa järjestelmissä pariston säästämiseksi, kun järjestelmä ei ole aktiivitilassa. Kun järjestelmä tämän 20 jälkeen otetaan uudelleen käyttöön, ts. kun se siirtyy aktiivitilaan, kellotaajuus tulisi nostaa välittömästi normaaliksi .

Pariston säästämiseksi on tunnettua, että jonkin sähköisen 25 järjestelmän, esimerkiksi radiopuhelimen, kellotaajuutta muutetaan, kun järjestelmä siirtyy aktiivitilasta lepotilaan. Järjestelmän kellotaajuuden pienentäminen järjestelmän siirtyessä aktiivitilasta lepotilaan pienentää järjestelmän tehonkulutusta jossain määrin, mutta vain silloin, kun jär-30 jestelmä on lepotilassa. Useat järjestelmät, kuten radiopuhelimet, käsittävät lisäksi useita paikallisia kellotaajuuksia järjestelmän eri osia eli piirejä varten. Lisäksi piirien, kuten integroitujen piirien, eri lohkoilla voi olla paikallisia kellotaajuuksia. Näiden piirien ja lohkojen kellot-35 taminen jatkuvasti suurella vakiokellotaajuudella, silloinkin kun jonkin piirin tai lohkon toiminta on alhainen, aiheuttaa turhaa tehonkulutusta.

2 95847

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on toteuttaa menetelmä, jolla sähköisen järjestelmän tehonkulutus saadaan optimoitua kellotaajuutta muuttamalla, jossa järjestelmässä on kellosignaalilla ohjattavia piirejä. Keksinnölle on tunnusomaista se, 5 että valvotaan järjestelmän niiden piirien tai piirien sisältämien lohkojen tilaa ja käsittelytehon tarvetta, joita piirejä ja lohkoja ohjataan jollakin kellosignaalilla, tai valvotaan pelkästään mainittujen piirien sisältämien lohkojen tilaa ja käsittelytehon tarvetta, vaihdetaan järjestelmän sellaisen 10 piirin tai lohkon kellotaajuus pienemmäksi, jonka tila ja käsittelytehon tarve sallii kellotaajuuden pienentämisen, ja vaihdetaan järjestelmän sellaisen piirin tai lohkon kellotaajuus suuremmaksi, jonka käsittelytehon tarve edellyttää kellotaajuuden kasvattamista.

15 Sähköisen järjestelmän, kuten radiopuhelimen, tehonkulutus voidaan keksinnön mukaisesti optimoida valvomalla järjestelmän piirien ja piirien lohkojen tilaa ja käsittelytehon tarvetta jatkuvasti ja vaihtamalla kyseisten piirien ja lohkojen pai-20 kallisia kellotaajuuksia välittömästi, kun piirien/lohkojen tiloissa tapahtuu pieniäkin muutoksia, joiden seurauksena kellotaajuutta voidaan pienentää tai täytyy kasvattaa käsittely-tehotarpeen tyydyttämiseksi.

25 Pienentämällä piirin, kuten CMOS-piirin, kellotaajuutta : 50 %:11a saadaan piirin tehonkulutus pienennettyä saman ver- ran. Kellotaajuuden kasvattamista taas tarvitaan esim. datan rinnakkaiskäsittelyn määrän pienentämiseksi, jolloin laitteiston komponenttien määrä saadaan pienemmäksi ja sääste-30 tään materiaalikustannuksissa. Esimerkiksi solukkojärjestel mien matkapuhelimissa käsittelytehon tarve vaihtelee suuresti. Puhelimen ollessa lepotilassa on käsittelytehon tarve pieni, kun taas aktiivitilassa se voi olla 10 - 100 kertaa suurempi. Luonnollisesti radiopuhelimen täytyy syöttää pii-35 reille niiden tarvitsema käsittelyteho, muuten se ei toimi.

Kun radiopuhelimessa piirien, esimerkiksi digitaalipiirien, nopeutta eli kellotaajuutta säädetään jatkuvasti tarvittavan käsittelytehon mukaan, pienenee puhelimen kokonaistehonkulutus oleellisesti. Keksinnön mukainen menetelmä tehonkulu- 3 95847 tukeen säätämiseksi voidaan toteuttaa valvontalogiikan/--elektroniikan avulla, joka voidaan sijoittaa toteutuksesta riippuen sähköisen järjestelmän piirien ulkopuolelle tai integroida piireihin, kuten asiakaskohtaisiin integroituihin 5 piireihin (ASIC). Jos laitteisto käsittää mikroprosessorin, se voidaan järjestää valvomaan omaa käsittelytehon tarvettaan sekä järjestelmän piirien välistä liikennöintivilk-kautta (jonka perusteella voidaan päätellä erikseen kunkin piirin käsittelytehon tarve) ja se ohjaa tarpeen mukaan oman 10 ja muiden piirien kellotaajuuden vaihtamista. Jos laitteisto ei käsitä mikroprosessoria, siihen voidaan lisätä valvonta-logiikkaa/-elektroniikkaa edellä mainittujen valvonta/oh-jaustoimintojen suorittamiseksi. Lisäksi valvontalogiikkaa/--elektroniikkaa voidaan integroida piireihin. Tämä täytyy 15 luonnollisesti ottaa huomioon kyseisten piirien (ASIC-pii- rien) suunnittelussa. Mikroprosessori tai globaali valvonta-logiikka/-elektroniikka voi valvoa ja ohjata myös laitteiston piirien paikallisia kellotaajuuksia. Tämä tapahtuu aktivoimalla piirit ulkoisten signaalien avulla ohjaamaan pai-20 kalliset kellotaajuudet käsittelytehon tarpeen mukaan halutun suuruisiksi.

Kellotaajuuden vaihto tapahtuu ohjaamalla esimerkiksi eräänlaisena kytkimenä toimivaa piirijärjestelyä, joka kytkee 25 piirille halutun kellotaajuuden useasta mahdollisesta tulonaan saamastaan taajuudesta. Tällöin on suotavaa, että kellotaajuuden vaihto tapahtuu, kun vaihdettava ja uusi kellotaajuus ovat samassa tilassa, edullisesti nollatilassa.

Tällöin kellotaajuuden vaihto tapahtuu häiriöittä eli ei 30 synny kellosignaalin hallitsemattomia lyhytaikaisia tilan vaihtoja (piikkejä). Kellotaajuutta voidaan pienentää yhdessä tai useassa vaiheessa käsittelytehotarpeen täyttämiseksi. Esillä olevalle keksinnölle on tärkeä piirre nimenomaan se, että järjestelmän piirien ja piirien lohkojen kellotaajuus 35 vaihdetaan toiseen jossain määrin tai olennaisesti erisuureen taajuuteen välittömästi vähäisenkin muutoksen esiintyessä kyseisten piirien tai piirien lohkojen tilassa ja käsittelytehon tarpeessa. Esillä olevassa keksinnössä ei siis - I.

95847 4 seurata ainoastaan järjestelmän tilaa, kuten onko järjestelmä lepo- vai aktiivitilassa, vaan seurataan eri osissa mahdollisesti tapahtuvia pieniäkin tilan muutoksia, jotka mahdollistavat jonkin kellotaajuuden pienentämisen tai edellyt-5 tävät sen kasvattamista. Täten esillä olevassa keksinnössä käytetään taajuuden vaihtoon esimerkiksi kytkimenä toimivaa piirijärjestelyä, joka saa tulonaan lukuisia eri ennalta määrättyjä kellotaajuuksia, joista ohjataan haluttu taajuus piirijärjestelyn lähtöön, josta kellosignaali menee kello-10 taajuutta käyttävälle piirille tai piirin lohkolle.

Seuraavassa keksinnön toteutusta ja käyttöä selostetaan viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 15 kuva 1 esittää esimerkkiä kellotaajuuden valvonnan toteuttamisesta kellosignaalilla ohjattavia piirejä sisältävässä järjestelmässä ja kuva 2 esimerkkiä kellotaajuuden valvonnan toteuttamisesta integroidun piirin sisällä.

20

Kuvassa 1 on esitetty esimerkki kellotaajuuksien jakautumisesta sähköisessä järjestelmässä, jossa on kellosignaalilla ohjattavia piirejä, usean digitaalipiirin kesken, joista keskeisenä piirinä on mikroprosessori MCU (Micro Computer 25 Unit). Tässä mikroprosessori MCU ei ohjaa omaa eikä muiden piirien 1-3 kellotaajuutta. Kuvassa on esitetty esimerkki radiopuhelimen digitaalipiirien eri toteutustavoista ja siitä näkyy, että matkapuhelin tai mikä tahansa muu sähköinen laite voi käsittää integroituja piirejä, kuten ASIC-piirejä 30 2, erillislogiikalla toteutettuja piirejä 3 ja näiden yhdis telminä toteutettuja piirejä 1. Käytännössä radiopuhelimessa on pienen kokonsa takia pääasiassa ASIC-piirejä. Järjestelmää ohjaava kellotaajuus MASTER CLOCK tuotetaan esimerkiksi kideoskillaattorilla. ASIC-piireihin 2 voidaan toteuttaa 35 paikallinen kellotaajuuksien generointi esimerkiksi vaihelukittujen silmukoiden avulla. Lisäksi ASIC-piireihin voidaan integroida paikallinen valvontalogiikka käsittelytehotarpeen valvomiseksi ja kellotaajuuden vaihdon ohjaamiseksi. Mikro- 5 95847 prosessorin MCU kellotaajuutta voi valvoa ja ohjata mikroprosessori itse tai jokin muu piiri, kuten tässä esimerkissä, jossa mikroprosessorin MCU kellotaajuutta ohjaa ASIC-piiri 2, joka saa kellosignaalin piiristä 1, jonne tulee 5 järjestelmän peruskellotaajuus MASTER CLOCK.

Kuvassa 2 on esitetty esimerkki paikallisten kellotaajuuksien toteutuksesta ja ohjauksesta integroidussa piirissä, tässä ASIC-piirissä 2 ja lisäksi ASIC-piiri 2 ohjaa mikro-10 prosessorin MCU kellotaajuutta. ASIC-piiri 2 voi luonnollisesti sisältää useita muita komponentteja ja lohkoja kuin kuvassa esitetyt. Tässä on esitetty esimerkkinä lohkot 21 -23, joissa on paikallinen käsittelytehotarpeen valvonta ja kellotaajuuden ohjaus. ASIC-piiri 2 käsittää siis kello-15 generaattorilohkon 21, nopean sarjaliitännän 22 (Fast Serial Interface) ja DMA-ohjaimen 23 (Direct Memory Access). Kello-generaattori lohko 21 generoi paikallisella kellogeneraatto-rilla 211 kellotaajuudet muita lohkoja 22, 23 varten ASIC-piirissä 2 sekä käsittää kellonohjauksen 212, 213 mikro-20 prosessoria MCU ja DMA-lohkoa 23 varten. Kellogeneraattori-lohkosta 21 kellosignaali viedään nopeaan sarjaliitäntään 22, jolla on oma kellonohjauslogiikka/-elektroniikka 221.

Nopea sarjaliitäntä 22 on periaatteessa rinnakkaissarjamuun-taja (PISO, Parallel-In Series-Out), joka käyttää aikajako-25 kanavointia. Aikajakokanavoinnista johtuen nopea sarjaliitäntä 22 on nopeampi kuin asynkroninen tai synkroninen rinnakkaissar jamuunta ja ja se käyttää eri aikaväliä lähetykseen ja vastaanottoon. Nopeasta sarjaliitännästä 22 saatava läh-tökellotaajuus on normaalisti N MHz tai N/2 MHz. Tämän läh-30 tötaajuuden suuruutta ohjaa mikroprosessori MCU. Lisäksi mikroprosessori MCU voi ohjata kellotaajuuden pienemmäksi tehon säästämiseksi, jolloin nopean sarjaliitännän 22 antama lähtökellotaajuus pienennetään esimerkiksi N/16 tai N/32 MHz:iin riippuen siitä, mikä taajuus oli alunperin ohjelmoi-35 tuna lähtötaajuudeksi. Tämä lähtökellotaajuuden pienentäminen tapahtuu automaattisesti, jos nopealla sarjaliitännällä 22 ei ole ollut mitään toimintaa ennalta määrätyn aikajakson *. aikana. Jos toimintaa esiintyy nopean sarjaliitännän 22 oi- 6 95847 lessa pienemmällä kellotaajuudella, sen 22 valvontalogiikka tunnistaa tämän ja ohjaa nopean sarjaliitännän 22 lähdön takaisin suuremmalle taajuudelle ja toimintaa tunnistelevan tuntoelimen (ei esitetty) kello asetetaan alkutilaan. Koska 5 nopeaa sarjaliitäntää 22 käytetään myös ASIC-piirin 2 sisäisen datan kellotukseen, pienenee piirin tehonkulutus myös sisäisesti.

Nopea sarjaliitäntä 22 käyttää DMA-ohjainta 23 ASIC-piirissä 10 2 datan siirtoon mikroprosessoriin menevällä väylällä. Mik roprosessori MCU kertoo DMA:lie 23,mistä se löytää tarvittavat tiedot ja DMA 23 lukee dataa mikroprosessorin MCU muistista. Kun mikroprosessori MCU on antanut DMA:lie oikean osoitteen tiedon löytämiseksi, mikroprosessori MCU voi jat-15 kaa muita toimintoja. DMA:n 23 käyttö tiedon hakuun mikroprosessorin muistista (sen sijaan, että mikroprosessori tekisi sen itse) nopeuttaa tiedon hakua muistista. DMA:n 23 kelloa kytketään siten, että se kytketään päälle, kun nopea sarjaliitäntä 22 pyytää DMA:lta 23 toimintoja. Tästä johtuen 20 DMA:11a 23 on aktiviteettia hyvin lyhyiden aikajaksojen aikana eikä sitä tarvita, kun aktiviteettia ei esiinny. Tällöin DMA:ta 23 ei kelloteta lainkaan, koska pelkkä kellotaajuuden pienentäminen ei tässä tapauksessa hyödyttäisi niin paljon johtuen siitä, että DMA:n 23 ollessa toiminnassa 25 (pienellä tai suurella taajuudella) mikroprosessori MCU on . estynyt suorittamasta muita toimintoja. Näin ollen on syytä kytkeä DMA:n 23 kello täysin pois, kun sitä ei käytetä. Tällöin säästyy paljon tehoa, koska DMA-lohko 23 sisältää huomattavan määrän logiikkaa. Myös DMA-lohkolla 23 on oma val-30 vontalogiikka/-elektroniikka 231.

Mikroprosessorin MCU kellotaajuutta ohjaa ASIC-piiri 2. Kuitenkin komennon mikroprosessorin kellotaajuuden pienentämiseksi tai kellon pysäyttämiseksi antaa mikroprosessori MCU 35 itse. ASIC-piiri 2 syöttää mikroprosessorille esimerkiksi taajuuksia M, M/2, M/4, M/8 tai M/16 MHz. Mikroprosessorin MCU kaikki keskeytykset generoidaan kuitenkin ASIC-piirissä 2. Nopean keskeytysvasteen varmistamiseksi ASIC-piiri 2 kyt- 11 7 95847 kee mikroprosessorin MCU kellotaajuuden maksiminopeudelle, kun keskeytyskomento on generoitu. Keskeytyksen jälkeen laitteen ollessa esimerkiksi lepotilassa tai jos toimintoja on jostain muusta syystä vähän, kellotaajuus vaihdetaan pie-5 neksi. Mikroprosessorin suorituskykyä ei tavallisesti hyödynnetä 100-%:isesti ja tästä syystä kellotaajuutta voidaan usein pienentää koska tahansa. Tällöin kellotaajuus valitaan kuitenkin sellaiseksi että hetkellisesti tarvittava käsitte-lyteho säilyy.

Claims (13)

1. 8 95847
2. 1. Menetelmä sähköisen järjestelmän tehonkulutuksen säätämiseksi kellotaajuutta muuttamalla, jossa järjestelmässä on piirejä (MCU, 1-3), joita ohjataan jollakin kellosignaalil-5 la,tunnettu siitä, että - valvotaan järjestelmän niiden piirien (MCU, 1-3) ja piirien (2) sisältämien lohkojen (21-23) tilaa ja käsittelyte-hon tarvetta, joita piirejä (MCU, 1-3) ja lohkoja (21-23) ohjataan jollakin kellosignaalilla, tai valvotaan pelkästään 10 mainittujen piirien (2) sisältämien lohkojen (21-23) tilaa ja käsittelytehon tarvetta, - vaihdetaan järjestelmän sellaisen piirin (MCU, 1-3) tai piirin lohkon (21-23) kellotaajuus pienemmäksi, jonka tila ja käsittelytehon tarve sallii kellotaajuuden pienentämisen, 15 ja - vaihdetaan järjestelmän sellaisen piirin (MCU, 1-3) tai piirin lohkon (21-23) kellotaajuus suuremmaksi, jonka käsittelytehon tarve edellyttää kellotaajuuden kasvattamista.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet - t u siitä, että valvotaan piirin (MCU, 1-3) ja lohkon (21-23) tilaa ja käsittelytehon tarvetta sen ulkopuolelta.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet -25 t u siitä, että valvotaan piirin (MCU, 1-3) ja lohkon (21- 23. tilaa ja käsittelytehon tarvetta sen sisäpuolelta.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että vaihdetaan piirin (MCU, 1-3) ja piirin loh- 30 kon (21-23) kellotaajuus sen ulkopuolelta. . 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet - t u siitä, että vaihdetaan piirin (MCU, 1-3) ja piirin lohkon (21-23) kellotaajuus sen sisäpuolelta.
6. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että piiristä (MCU, 1-3) tai piirin lohkosta (21-23) kytketään kellosignaali kokonaan pois. 35 95847
7. 7. Sähköinen järjestelmä, jossa on piirejä (MCU, 1-3), joita ohjataan jollakin kellosignaalilla, ja jonka järjestelmän tehonkulutusta säädetään kellotaajuutta muuttamalla, tunnettu siitä, että järjestelmässä on 5 - ainakin osassa piireistä (MCU, 1-3) kellosignaalilla oh jattavia lohkoja (21-23), - piiri (MCU, 2) ja/tai piirin sisäinen lohko (21-23; 212; 221; 231) niiden piirien (MCU, 1-3) ja piirien sisäisten lohkojen (21-23) tilan ja käsittelytehon tarpeen valvomisek- 10 si, joita ohjataan jollakin kellosignaalilla, tai piiri (MCU, 2) tai piirin sisäinen lohko (21-23; 212; 221; 231) pelkästään mainittujen piirien sisäisten lohkojen (21-23) tilan ja käsittelytehon tarpeen valvomiseksi, ja - piiri (MCU, 2) ja/tai piirin sisäinen lohko (21-23; 212; 15 221; 231) kellotaajuuden vaihtamiseksi järjestelmän sellai sessa piirissä (MCU, 1-3) tai lohkossa (21-23), jonka tila ja käsittelytehon tarve sallii kellotaajuuden pienentämisen tai edellyttää sen kasvattamista.
8. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tun nettu siitä, että mainittuja tilaa ja käsittelytehon tarvetta valvova piiri (MCU, 2) tai lohko (21-23) on valvottavan piirin (MCU, 1-3) tai lohkon (21-23) ulkopuolella.
9. 9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tun nettu siitä, että mainittuja tilaa ja käsittelytehon tarvetta valvova piiri (MCU, 2) tai lohko (21-23; 212; 221; 231. on osana valvottavaa piiriä (MCU, 1-3) tai lohkoa (21-23) . 30
10. 10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, t u n - . n e t t u siitä, että kellotaajuutta vaihtava piiri (MCU, 2. tai lohko (21-23) on valvottavan piirin (MCU, 1-3) tai lohkon (21-23) ulkopuolella. 35
11. 11. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kellotaajuutta vaihtava piiri (MCU, ____ ·· T— 10 95847 2. tai lohko (21-23; 212; 221; 231) on osana valvottavaa piiriä (MCU, 1-3) tai lohkoa (21-23).
12. 12. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, t u n - 5. e t t u siitä, että mainittuja tilaa ja käsittelytehon tarvetta valvoo ja kellotaajuutta vaihtaa sama piiri (MCU, 2. tai lohko (21-23; 212; 221; 231).
13. 13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjes-10 telmä, tunnettu siitä, että se on radiopuhelin.