JP4716642B2 - 電圧レベルがプロセッサにより制御されるシステムにおいて決定論的電源投入電圧を与える方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は包括的に、プログラム可能な電源電圧を有するシステムにおいて初期電源電圧を設定するための方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
最近では、コンピュータシステムプロセッサの電源電圧およびクロック周波数を動的に調整し、消費電力を最小限に抑えるとともにプロセッサのコアの加熱を調節することが望ましいと考えられている。このコンピュータシステムプロセッサ自身が、こうした調整を制御するのに理想的なメカニズムであるように思われるが、適切な設定を定めることが可能になる前にまず電力およびクロックを受ける必要があることが課題である。
【０００３】
プロセッサは、最低限の電源投入電圧を供給されるまでは、電圧識別出力を駆動して自身の動作電圧を制御することができない。したがって、システムのハードウェアが、プロセッサがその電圧識別出力を駆動して起動電圧を選択するまで、プロセッサに所要の電源投入電圧が確実に供給されるようにし、ＤＣ／ＤＣ変換器がこのプロセッサの電圧識別出力に応答しないようにしなければならない。プロセッサが損傷を受けないようにするには、システムに電源が投入された際に、プロセッサからの未決定信号によって電源電圧レベルがプロセッサの最大動作限界を超えないようにすることが必要である。
【０００４】
【発明の開示】
上記の問題は、電圧レベルがプロセッサにより制御されるシステムにおいて決定論的電源投入電圧を与える方法および装置により解決される。ある実施例において、このシステムは、ＤＣ／ＤＣ電力変換器とプロセッサと選択回路とを含む。ＤＣ／ＤＣ変換器は、選択回路から電圧設定信号を受け、電圧設定信号により示される電圧を有する調整可能電力出力信号を与える。プロセッサには、上記調整可能電力出力信号により電力が供給される。このプロセッサは、電力が供給されると、プログラム可能電圧設定信号を与える。選択回路は、このプログラム可能電圧設定信号、ハードワイヤード電圧設定信号および選択信号を受け、この選択信号が予め定められた状態にあるとき、プロセッサからＤＣ／ＤＣ変換器にプログラム可能電圧設定信号を与える。好ましくは、選択信号が上記第１の予め定められた状態と相補関係にある第２の予め定められた状態にあるとき、上記回路はハードワイヤード電圧設定信号をＤＣ／ＤＣ変換器に与える。好ましくは、上記選択信号の第１および第２の予め定められた状態はそれぞれデアサートおよびアサートである。選択信号の決定は、モード制御信号およびパワーグッド信号を組合せ、パワーグッド信号がアサートされモード制御信号がデアサートされたときにのみ選択信号によりプロセッサからの電圧設定信号を選択するようにする論理ゲートによって行なわれてもよい。ここでの利点は、プロセッサがその動作電圧レベルを規定できることであり、この能力はノートブックＰＣにおける電力および熱管理に非常に役立つ。
【０００５】
本発明は、以下の好ましい実施例の詳細な説明を添付の図面と関連付けて検討することによりさらによく理解されることが可能であろう。
【０００６】
本発明には種々の変形および代替形が可能であるが、その具体的な実施例は図面で例示され詳細に説明されている。しかしながら、これら図面およびその詳細な説明は本発明を開示された特定の形態に限定することを意図したものではなく、逆に、前掲の特許請求の範囲において規定される本発明の精神および範囲内のすべての変形、等価形および代替形を包含することを意図したものである。
【０００７】
この開示を通して使用されているいくつかの用語をここで定義する。「信号」という用語は、１つまたはそれ以上の導電性ワイヤまたはそれ以外の適切な搬送媒体上の電気的インパルスまたは電磁波を介して搬送される値を意味する。この信号という語は、複数の導体を通して代表的ビット値を並列に伝送することにより搬送される２値を指すのに用いてもよい。また、単一のワイヤ上の比例電圧により搬送されるアナログ値を指すのに用いてもよい。構成要素間で値を搬送する方法は数多くあり、請求項において使用される単数形の用語「信号」はクレームの範囲を限定しないと理解されるべきである。「アサートされる」および「デアサートされる」という用語は、２状態信号の相補状態を指すことを意図している。これらは必ずしもデジタル論理「ハイ」および「ロウ」電圧に限定されない。システム設計者が、各信号についてその信号のアサートおよびデアサートを表わすのはどのデジタル論理状態であるかを個別に決定できることが理解されるべきである。このような設計上の考慮は本発明の範囲を限定しない。
【０００８】
【発明を実施するモード】
次に図面を参照すると、図１は、プログラマブル電圧変換器（ＤＣ／ＤＣ）から電源電圧信号（ＣＰＵＶＣＣ）を受けるプロセッサを示している。この変換器は、電力（この場合＋５Ｖ）および電圧設定信号（ＭＶＩＤ）を受け、この電圧設定信号が示すレベルの調節済出力電圧を与える。このシステムに対し、通常動作モードに加えて電力節約モードを与えるのが望ましいため、この電圧設定信号には可能な値が２つある。すなわち、「スリープ」モードのＳＶＩＤおよび「動作」モードのＯＶＩＤである。マルチプレクサ（ＶＩＤ ＭＵＸ）は、サウスブリッジから与えられ得るモード制御信号（ＣＰＵＳＴＯＰ♯）に応答し、これら２つの電圧設定間の選択を行なう。この実施例では、ＯＶＩＤおよびＳＶＩＤは、ハードワイヤードである、すなわち抵抗器、ヒューズ、ジャンパまたはそれ以外の何らかの不揮発性機械的手段により設定される。
【０００９】
なお、コンピュータシステムは典型的に複数のバスを有し、複数のバスには異なるバス上の構成要素間の通信を可能にする「ブリッジ」と呼ばれるデバイスが設けられている。また、コンピュータシステムは典型的に、割込管理（割込コントローラ）、クロック／カレンダ／タイマ機能（クロック）、構成管理、電源制御およびパワーオン信号順序付けといった管理機能を果たすサポート回路を有する。このサポート回路は、ＰＣＩバスから周辺装置および低帯域幅バスへのブリッジすなわち「サウスブリッジ」に共通に設けられる。
【００１０】
したがって、当業者であれば、サウスブリッジを、コンピュータシステムの活動レベルをモニタし、コンピュータシステムが予め定められた期間非活動状態にあると判断された場合にこのコンピュータシステムを「スリープ」モードにするよう構成できることがわかるであろう。図１の実施例では、モード制御信号のアサートにより、電源電圧はハードワイヤードスリープ設定に低下する。ＡＰＭ（アドバンストパワーマネジメント）を備えるシステムでは、サウスブリッジがその後に活動（キーの押下またはポインティングデバイスの動き）を検出した場合に、サウスブリッジはモード制御信号をデアサートして電源電圧をハードワイヤード「動作」設定に引上げることができる。ＡＣＰＩを備えたシステムでは、動作システムがこのシステムをいつスリープ状態にするのか判断し、デバイスのドライバを呼出してデバイスを低電力状態にしてからサウスブリッジのレジスタを操作してスリープ状態へのハードウェアシーケンスを開始する。
【００１１】
プログラマブル電圧変換器の一例として、ＭＡＸＩＭ ＭＡＸ１７１１高速デジタル調整ステップダウンコントローラまたはその等価物がある。このＭＡＸ１７１１は、選択された電圧間を１００ｕｓ未満で遷移できる。ＭＡＸ１７１１はＤ４−Ｄ０入力を用い以下のようにして出力電圧レベルを決定する。
【００１２】
【表１】

【００１３】
シャットダウンに関するさらなる情報についてはＭＡＸＩＭデータシートを参照。
【００１４】
ＡＭＤのＫ６−ＩＩＩおよびアスロン（Athlon）プロセッサの近いうちに発表されるバージョンのようなプロセッサを設けることが望ましい。これらプロセッサは電圧識別（ＶＩＤ）出力信号を、プロセッサの動作電圧を供給するＤＣ／ＤＣ変換器に駆動する。これらは、調整可能なコア周波数に加え、熱的環境における最大のノートブックＰＣ性能を可能にし、かつ、ユーザ自身が性能とバッテリの寿命との折合いを決定できるようにしている。
【００１５】
好ましくは、プロセッサには、現在の電圧設定を含むレジスタが設けられる。このプロセッサがリセットされると、電圧設定はたとえば１．５Ｖという「安全」電圧に初期化され、リセット信号のアサート中、設定信号はプロセッサの出力ピンに駆動される。所望されるときには、電圧設定信号をこのレジスタへの書込により変更する。
【００１６】
最初にシステムに電力が投入されたとき、プロセッサには電力は投入されず、そのため、プロセッサは、そのＶＩＤ出力を、電圧が動作レベルで安定しクロックが作動するまで駆動することができない。また、プロセッサに電力が与えられると、プロセッサがそのＶＩＤ出力を駆動する状態を、電圧が特定の限度内にあり、リセットがアサートされ、プロセッサへのクロックが始動し安定するまで保証できない。さらに、プロセッサの中には、プロセッサがその起動ＶＩＤを駆動する前にパワーグッド信号がプロセッサにアサートされることを要するものがある。しかしながら、プロセッサの出力は、ＤＣ／ＤＣ変換器に対し、どの電圧レベルをプロセッサに駆動すべきかを規定するのに用いられるため、システムに最初に電力が投入されたときにどの電圧がプロセッサに駆動されるのかわからない。可能性として、ＤＣ／ＤＣ変換器が電圧を低く駆動すれば、プロセッサがそのＶＩＤ出力を十分に駆動して意図する電源投入電圧を選択できないということがあり得る。このような事態が生じれば、システムは脱出できない状態で「ハング」する。もう１つの可能性として、ＤＣ／ＤＣがプロセッサの許容最大電圧より高い電圧レベルを駆動することがあり得る。いずれの事態が生じても、ある期間の後にＣＰＵが損傷を受ける。
【００１７】
図２は、この問題を、システムに電力が投入されたときプロセッサには動作レベルの電圧が常に供給されるようにすることで解決する構成を示す。この実施例では、スリープ電圧設定信号ＳＶＩＤはなおもハードワイヤードであり、動作電圧設定信号はプロセッサにより与えられる。選択信号（ＳＥＬＥＣＴ＿ＳＶＩＤ♯）がマルチプレクサに与えられ、適切なマルチプレクサ入力が選択される。論理回路を用いてこの選択信号を生成する。選択信号がアサートされると、マルチプレクサはハードワイヤード電圧設定信号を選択し、選択信号がデアサートされると、マルチプレクサはプロセッサからの電圧設定信号を選択する。
【００１８】
好ましくは、論理回路は、初期電源投入シーケンスの間およびコンピュータシステムがスリープモードに入る際は常に選択信号をアサートするように設計される。したがって、論理回路はモード制御信号（ＣＰＵＳＴＯＰ♯）およびパワーグッド信号（ＰＷＲＧＤ）に対し動作する。モード制御信号がアサートされてスリープモードを示す場合またはパワーグッド信号がデアサートされる場合に限り、論理回路は選択信号をアサートする。それ以外選択信号はデアサートされる。
【００１９】
当業者にはパワーグッド信号はよく知られている。最初に電力がコンピュータシステムに与えられたとき、この信号は、システム内のすべての電圧レールが特定の限度内で安定するまでデアサート状態に保たれる。このとき、パワーグッド信号がアサートされシステムがパワーダウンされるまで維持される。図２のＰＷＲＧＤ信号は、ＣＰＵＶＣＣが、プロセッサが決定論的にＶＩＤ信号を駆動できるレベルになるまで、デアサートされ、ＳＶＩＤ［４：０］がＤＣ／ＤＣを駆動する。ＢＩＯＳまたはシステムソフトウェアは、ＰＯＳＴルーチンの初期にＶＩＤ信号を設定してプロセッサコア電圧を所望の性能レベルに遷移させる責任があるであろう。
【００２０】
少し話はそれるが、図２のＤＣ／ＤＣ変換器はパワーダウン（ＰＷＲＤＮ♯）信号を受けてもよい。ＰＷＲＤＮ♯は、アサートされるとＤＣ／ＤＣがその出力をシャットオフし低電力状態に入るようにする制御入力である。
【００２１】
図３は、決定論的電源投入回路の動作を示しており、ここでは、例示のコンピュータシステムがオンされた後の信号遷移のシーケンスを示す。ユーザが電力スイッチを押すと、パワーオン（ＰＷＲＯＮ♯）信号がアサートされ、パワーダウン（ＰＷＲＤＮ♯）信号がデアサートされる。このシステムの電力レールが特定の限度内に入った後、パワーグッド（ＰＷＲＧＤ）信号がアサートされる。
【００２２】
スリープ電圧設定（ＳＶＩＤ）信号はハードワイヤードであるため、常に予め定められた値に固定されている。逆に、動作電圧設定（ＶＩＤ）信号は、プロセッサに電力が供給されるまで、プログラムされた値に駆動されない。好ましくは、これら信号は、システムのパワーグッド信号のアサート前にプログラムされた値に到達する。しかしながら、パワーグッド信号がアサートされた際にＶＩＤ信号を駆動して動作電圧を選択するようにできる。この選択信号（ＳＥＬＥＣＴ＿ＳＶＩＤ♯）は、好ましくは、パワーグッド信号のアサート後のみにデアサートされ、これにより、多重化電圧設定（ＭＶＩＤ）信号が、パワーグッド信号がアサートされるまでスリープ電圧設定信号と等しくなる。この選択信号のデアサートにより、多重化電圧設定信号は、プロセッサが与える動作電圧設定信号と等しくなる。好ましくは、ＳＶＩＤにより選択される電力投入電圧から、ＣＰＵ ＶＩＤ出力により選択される動作電圧までの、許容遷移時間は１００マイクロ秒である。
【００２３】
このように、プロセッサ電圧（ＣＰＵＶＣＣ）信号は決定論的に制御される。パワーグッド信号がアサートされる前は、プロセッサはスリープ電圧設定で電力供給される。これは、プロセッサがプログラムされた動作電圧設定信号を駆動するのに十分である。パワーグッド信号のアサート後、プロセッサにはそのプログラムされた動作電圧設定で電力が供給される。クロック信号は、パワーグッド信号がアサートされる前に動作しているため、プロセッサは、リセット信号を伝搬し、ＣＰＵ＿ＰＷＲＯＫ（システムパワーグッド信号でもよい）がアサートされたときに起動ＶＩＤを駆動することができる。パワーグッド信号のアサート後およそ１．８ミリ秒でプロセッサリセット信号がデアサートされ、プロセッサはリセットベクトルのアドレスからコードをフェッチすることができる。
【００２４】
起動電圧および周波数設定の変更は、後にシステムソフトウェアにより行なうことができる。例示のシステムでは、電圧設定の変更を実施するために以下のステップを取る。
【００２５】
１） ソフトウェアドライバを呼出してＣＰＵ電圧および周波数を遷移させる。
【００２６】
２） Ｋ６システムについては、ＳＭＭハンドラが、アドバンスト構成およびパワーインターフェイス（ＡＣＰＩ−）規定調停ディスエーブル（ＡＰＢ＿ＤＩＳ）ビットをノースブリッジに設定して、システムバスマスタに、遷移が生じている間システムメモリへバスおよびアクセスが与えられないようにする。これはＫ６については必要である。なぜなら、プロセッサは、そのコア電圧および／または周波数が遷移している間キャッシュスヌープに応答できないからである。
【００２７】
３） ＳＭＭハンドラは、遷移開始前にすべてのシステムバス活動が停止していることを確認する。これが必要な理由は、ＡＰＢ＿ＤＩＳビットがアサートされたときにバスマスタサイクルが進行している可能性があり、このトランザクションをシステムバスマスタがシステムバスの制御を解除する前に終了しなければならないからである。ＳＭＭハンドラは、サウスブリッジのレジスタを読出すことにより、システムバスの制御をするシステムバスマスタがないと判断することができる。この読出は、制御を行なうシステムバスマスタがシステムバスの所有権を放棄するまで終了することができない。
【００２８】
４） ＳＭＭハンドラは、プロセッサのレジスタに書込を行ない、プロセッサが動作すべき新たな電圧および周波数を特定し、次にレジスタに書込を行なって新たな電圧および周波数への遷移を開始する。
【００２９】
５） ＳＭＭハンドラは、ノースブリッジのＡＲＢ＿ＤＩＳビットをクリアしてシステムバスマスタがシステムメモリにアクセスできるようにする。
【００３０】
６） ＳＭＭハンドラは、再開（ＲＳＭ）命令を実行してプロセッサを通常動作に戻す。なお、ＳＭＭはＫ６についてのみ必要である。Ｋ７については、ＡＲＢ＿ＤＩＳビットは電圧および周波数遷移には使用されず、ＳＭＭモードも使用されない。
【００３１】
上記の開示を十分に理解すれば当業者には多数の変形例および修正例が明らかになるであろう。一例として、プロセッサのＶＩＤ［４：０］出力すべてをＤＣ／ＤＣ変換器の電圧選択入力に駆動する必要はない。プロセッサのＶＩＤ出力により駆動されないＤＣ／ＤＣの電圧選択入力を、マザーボード上で抵抗器を用いてハイまたはローに固定することができる。
【００３２】
さらに、マルチプレクサは、他の論理でも同じ機能を果たすことができるため用いる必要はない。ある時点で、ＤＣ／ＤＣ変換器がマルチプレクサの機能を取入れて別の論理回路を不要にするということさえ可能である。
【００３３】
加えて、デジタルルックアップテーブルではなく「フィードバック電圧」に頼るＤＣ／ＤＣ変換器を用いる際、電圧設定入力を与えて分圧ネットワークのインピーダンス値を変えてフィードバック電圧を変化させることにより所望の出力電圧を設定することができる。前掲の特許請求の範囲はこうしたすべての変形および修正例を包含すると解釈されることを意図している。
【００３４】
【産業上の利用可能性】
本発明は電気システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ハードワイヤード電圧設定を備えたシステムの機能的ブロック図である。
【図２】 電圧設定がプロセッサにより制御されるシステムの機能的ブロック図である。
【図３】 決定論的電源投入方法の動作を示すタイミング図である。

Claims (15)

1. コンピュータシステムであって、
   調整可能出力電圧を与えるように構成されたＤＣ／ＤＣ変換器と、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換器の調整可能出力電圧により電力が供給されるプロセッサとを含み、前記プロセッサは１つまたはそれ以上の電圧識別信号を与え、前記コンピュータシステムはさらに、
   前記電圧識別信号、代替的な電圧設定信号および選択信号を受けるように構成された選択回路を含み、前記選択回路は、前記電圧識別信号または前記代替的な電圧設定信号を与えて、前記選択信号の状態に依存して前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を制御するように構成される、コンピュータシステム。
2. 前記代替的な電圧設定信号は、前記選択信号がアサートされたときに前記選択回路によって与えられ、前記電圧識別信号は、前記選択信号がデアサートされたときに前記選択回路によって与えられる、請求項１に記載のコンピュータシステム。
3. 前記システムに電源が投入されたとき前記ＤＣ／ＤＣ変換器に電力を与えるように構成された電源をさらに含み、前記電源はさらに、前記システムに電源が投入された後の予め定められた時間デアサートされるパワーグッド信号を与えるように構成される、請求項２に記載のコンピュータシステム。
4. 前記選択信号は、前記パワーグッド信号がアサートされる場合に限りデアサートされる、請求項３に記載のコンピュータシステム。
5. 前記選択信号は論理ゲートによって与えられ、前記論理ゲートは、前記パワーグッド信号をモード制御信号と組合わせることにより前記選択信号を決定するように構成される、請求項４に記載のコンピュータシステム。
6. 調整可能な決定論的電圧をプロセッサに確実に与えるための方法であって、前記方法は、
   少なくとも１つのハードワイヤード電圧設定信号を受ける回路を含み、
   前記回路は前記プロセッサから少なくとも１つの調整可能電圧設定信号を受け、
   前記回路は前記ハードワイヤード電圧設定信号および前記調整可能電圧設定信号のいずれをＤＣ／ＤＣ変換器に与えるかを決定する選択信号を受け、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換器は電圧を前記プロセッサに与え、電圧レベルは前記回路から受けた前記電圧設定信号により設定され、
   前記電圧設定信号は、電力が初めに前記ＤＣ／ＤＣ変換器に供給されたとき前記ハードワイヤード電圧設定信号に設定される、調整可能な決定論的電圧をプロセッサに確実に与えるための方法。
7. パワーグッド信号を前記選択信号として用い、前記回路が、前記パワーグッド信号がデアサートされている間前記調整可能電圧設定信号を与えないようにすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. モード制御信号を前記選択信号として用い、前記回路が、前記モード制御信号がアサートされている間前記調整可能電圧設定信号を選択しないようにすることをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 論理ゲートは、前記パワーグッド信号がアサートされ前記モード制御信号がデアサートされたときに前記調整可能電圧設定信号を選択するように前記選択信号を設定する、請求項８に記載の方法。
10. システムであって、
    電圧選択入力を受け、前記電圧選択入力により特定される電圧を備えた調整可能電圧出力レベルを与えるＤＣ／ＤＣ変換器と、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器からの調整可能電圧出力を受けるように構成された電気構成要素とを含み、前記構成要素は電圧選択出力を与え、前記システムはさらに、
    前記電気構成要素からの電圧選択出力および選択信号を受けるように構成された選択回路を含み、前記選択回路は、前記選択信号が第１の状態にあるとき、前記電気構成要素の電圧選択出力から独立して第１の電圧レベルを選択するように前記電圧選択入力を前記ＤＣ／ＤＣ変換器に駆動し、前記選択信号が第２の状態にあるとき、前記電気構成要素の電圧選択出力により規定される電圧レベルを選択するように前記電圧選択入力を前記ＤＣ／ＤＣ変換器に駆動する、システム。
11. 前記選択回路はさらに、固定電圧設定信号を受けるように構成され、前記選択回路は、前記固定電圧設定信号に従い、前記選択信号が第１の状態にあるとき前記電圧選択入力を駆動する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１の状態は前記選択信号のアサートである、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記システムに種々の電圧を与える電源をさらに含み、前記システムは、前記システムに電源が投入されたとき前記システム内のすべての電圧レールが特定の動作レベル内になるまでデアサートされるパワーグッド信号を与える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記選択信号は、前記パワーグッド信号がアサートされる場合に限りデアサートされる、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記選択信号は論理ゲートによって与えられ、前記論理ゲートは、前記パワーグッド信号をモード制御信号と組合わせることにより前記選択信号を決定するように構成される、請求項１４に記載のシステム。

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