JPS61502567A - 可変周波数クロックを持つ電気的システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 可変周波数クロックを持つ電気的システム本発明はエネルギーの節約のために可 変周波数クロックで駆動される電気的システムを動作する方法に関する。

背景技術 シリコン技術の革新の連続の極めて重要な特徴は社会におけるマイクロプロセッ サの普及である。その大きさとコストが大幅に低下したために、他の方法ではコ ンピュータの使用が考えられなかったような多くの応用で、このようなプロセッ サを経済的に使用できる。例えば、ミニコンピユータのようなより大形のコンピ ュータが従来使用されていたような応用においても、前には単一の大形プロセッ サで実行されていた機能を実行するために多数のマイクロプロセッサを使用する ことによって分散プロセッサの利点を実現することができ・る。例えば、蓄積プ ログラム制御の交換システムの中央制御ユニットによって従来実現されていた制 御機能の多くは、最近のシステムではシステムの周辺装置に分散され、システム の動作を制御するために相互に通信するようになった多数のマイクロプロセッサ によって実行されるようになっている。

分散処理の利点は確立しているが、これを妨たげるひとつの要因はこのような分 散された制御プロセッサを連続的に動作するために通常は大きな電力を必要とす ることである。この要因はエネルギーのコストの増大傾向の中でより重要な問題 となっている。マイクロプロセッサの電力消費はそれを携帯用の電池で動作する パーソナルコンピュータで使用するときにも重要である。このよう々応用では、 マイクロプロセッサを用いたシステムを動作するのに必要な電力の大きさは問題 であり、このようなシステムの全体の魅力を減殺することになっている。

発明の要約 本発明に従えば、この問題はこのようなシステムの処理負荷を判定し、判定され た処理負荷に従ってこのようなりロックの周波数を調整するステップを含む可変 周波数クロックによって駆動される電気的システムのエネルギーを節約する方法 によって解決される。節約の量はその電気的システムを実現する特定の手法に関 連した電気−周波数特性に依存する。

本発明のより完全なる理解は図面を参照した以下の説明によって得られ−るもの である。

第１図は本発明の原理を図示したマイクロプロセッサによるシステムのブロック 図： 第２図乃至第５図は処理負荷を監視し、第１図のシステムの必要とするエネルギ ーの大きさを減少するために必要なりロック周波数を計算する方法を図示した図 ；第６図は第１図のシステムを含むディジタル電圧制御発振器の回路図である。

詳細な説明 第１図は本発明の原理を図示したマイクロプロセッサによるシステム１００の例 を図示したブロック図である。

システムはデータバス１０４とアドレスバス１０５を経由して関連するデバイス と通信するマイクロプロセッサ１０１によって制御される。例えば、マイクロプ ロセッサ１０１は導体１０６を通して制御端子Ｒ／Ｗから論理１１“の信号を送 出し、アドレスバス１０５を通してＲＯＭ１０７と読み出されるべきＲＯＭ１０ ７の特定の位置の両方を規定するアドレスを送出することによってリードオンリ ーメモリー（ＲＯＭ）１０７からの情報を読む。ＲＯＭ１０７はマイクロプロセ ッサ１０１によって実行されるべきプログラムや固定データのような情報を記憶 するのに典型的に使用される。マイクロプロセッサ１０１は可変データを記憶す るのに使用するランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）１０８，６るいはマイクロ プロセッサ１０１の制御下に動作するデバイスのような種々の外部デバイス（図 示せず）とのインタフェースに使用する入出力（Ｉｌｏ）ポート１０９から、同 様の方法で情報を読み出す。さらに、マイクロプロセッサは導体１０６を通して 制御端子Ｒ／Ｗから論理’ｅ＋　Ｏ／Ｆ信号を送出し、アドレスバス１０５上に 適切なアドレスを送出することによって、データバス１０４を通してＲＡＭ１０ ＢあるいはＩ１０ポート１０９に情報を書く。

以上述べたシステム１００の部分は周知である。種々の他の制御あるいはステー タス信号は、正しいシステム動作を実現するためにマイクロプロセッサ１０１と それに関連したデバイスの間で伝送される。しかし、これらの信号は本発明には 関係なく、与えられたインプリメンテーションで使用されるデバイスの特定の種 別に従って変化する傾向があるため、ここではこれ以上説明しない。

マイクロプロセッサ１０１とそれに関連したデバイスは例えば電池や商用の交流 電源から駆動される直流電源のような直流電力源（図示せず）によって付勢され る。本発明はこのような直流電源からシステム１００によって引き出されるエネ ルギーの量を減少することを目的としている。エネルギーの節約の他に、長期的 なシステムの信頼性の向上も得られる。

システム１００のようなマイクロプロセッサを用いたシステムは代表的には金属 −酸化物−シリコン゛（ＭＯＳ）技術を使って実現される。与えられた電圧でＭ ＯＳによって消費される電力の大きさは、そのデバイスが動作する周波数に本質 的に直接比例する。マイクロプロセッサ１０１は比較的複雑なＭＯＳデバイスで あるが、各々の実行サイクルはＣＬＫ端子で受信される信号によって規定される 。本発明の一実施例に従えば、ディジタル電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０２がサ イクルを決定するクロック信号を送出する。任意の与えられた時点で必要となる 処理量を決定しｆｃアと、マイクロプロセッサ１０１は与えられた処理負荷を満 足するのに充分な動作周波数を計算する。マイクロプロセッサ１０１はＲＡＭ１ ０ＢあるいｆｌＩ１０ポート１０９の場合と同様に、データバス１０４、アドレ スバス１０５および導体１０６を経由してＶＣ０１０２と交信し、ＶＣＯ１０２ に対シテテータパス１０４を通して、計算された周波数を規定するデータワード を書く。ＶＣ’０１０２はこのディジタルワードに応動して計算された周波数に 、マイクロプロセッサ１０１に送信されるクロック信号の周波数を次第に調整す る。クロック周波数を低下すると、マイクロプロセッサ１０１によって消費され る電力は減少し、ＲＯＭ１０７、ＲＡＭ１０８およびＩ１０ポート１０９のよう な関連するデバイスへのアクセス周波数を減少することによって、これらのデバ イスによって消費される電力も減少する。このような電力の減少はクロック周波 数の減少に本質的に直接比例している。例えば、周波数を２０Ｍ　）Ｉｚから１ ０　ＭＨｚに減少すれば、約５０％の節約ができる。

システム１００においては、実時間事象のタイミングは固定周波数の発信器１０ ３からＩＮＴ端子に受信される割込み信号に応動して制御される。例えば、マイ クロプロセッサ１０１は固定周波数発振器１０３からの割込み信号によって規定 される所定の周期で、処理負荷に従って必要となる周波数を計算し、ディジタル ＶＣＯにディジタルワードを書くプロセスを繰返す。

本実施例においては、マイクロプロセッサ１０１は直線回帰を使って任意の与え られた時点でＶＣＯＩ　０２のクロック周波数を制御するために、処理負荷を決 定する。

特定の応用において、マイクロプロセッサ１０１で予期されるすべての可能な処 理ジョブは、その複雑さ、すなわち、完了するのに必要な実行サイクルの数に従 って、ｎ種のジョブタイプに分類される。ここでｎは１より大きい正の整数であ る。各々のジョブタイプに関連して、他のジョブタイプとの関連でそのジョブタ イプの複雑さを決定する予め定められた重み付は係数Ａｋがある。マイクロプロ セッサ１０１はＲＡＭ１０８中にジョブ表（第２図）を持っている。ジョブ表は そのタイプが現在必要とされる数Ｊｋを各々のジョブごとに持っている。

第３図に図示するように、各々の処理ジョブが要求されたとき、関連するジョブ タイプが判定され、Ｊｋを１だけ増加することによってジョブ表が更新される。

例えば、固定された発振器１０３からの割込み信号の規定によっである種のジョ ブ−は一定の周期で要求されることもある。

他のジョブは外部デバイスから受信されてＩ１０ボート１０９を経由して読まれ た情報に応動して要求されることもある。各々の処理ジョブが完了したあと、そ れに関連したジョブタイプについてＪｋを１だけ減分することによって、ジョブ 表が更新される（第４図）。従って、ＲＡＭ１０８中のジョブ表は常に更新され ている。第５図に示すように、マイクロプロセッサ１０１が固定発振器１０３か ら割込み信号を受信するたびに、マイクロプロセツサ１０１はジョブ表からＪｋ 値の各々を読み、に従って所要のクロック周波数ｆを計算する。ここでｆ。

は最小の所要周波数であり、Ｃは適切なスケールファクタである。（この代りＡ ｋの重み付は係数を適切にスケーリングして、スケールファクタＣを不要にして もよい。）計算されたｆの値によって規定されるデイジタルワ・−ド・が次にｖ ＣＯに書き込まれる。

本実施例においては、ディジタルＶＣＯ１０２はＬＣ発振器として実現されてい る（第６図）。マイクロプロセッサ１０１は新らしいクロック周波数を決定した ときに、これはその周波数によって決定されたディジタルワードをデータバス１ ０４を経由してレジスタ６０１に送る。マイクロプロセッサ１０１はまたアドレ スバス１０５を通して、アドレスをアドレスデコーダ６１５に送信する。アドレ スデコーダ６１５はＶＣＯ１０２を規定する特定のアドレスに応動してＡＮＤゲ ート６１６に１　対して論理１の信号を送信する。マイクロプロセッサ１０１は そのＲ／Ｗ端子からインバータ６１４に導体１０６を通して論理ｖ′０″信号を 送り、これは次にＡＮＤゲート６１６に対して論理−１〃信号を送る。単安定マ ルチバイブレータ６１７がＡ’Ｎ　Ｄゲート６１６の第３の入力端子に論理１１ 〃信号を送信したとき、Ａ、　Ｎ　Ｄゲート６１６はこれに応動じて論理“１　 “信号をレジスタ６０１に送り、これはデータバス１０４からのディジタルワー ドを記憶する。Ｄ／Ａ変換器６０２はレジスタ６０１中のディジタルワードに応 動してアナログ制御電圧を発生する。このアナログ制御電圧は抵抗６０３．６０ ５とコンデンサ６（１４から成る低域フィルタによってＦ波される。その値は送 られる制御電圧が最小の必要クロック周波数に関連してゆっくり変化するように するフィルタの時定数を決定する。抵抗６０５は放電手段としてコンデンサ６０ ４の両端に接続されている。

次に制御電圧は１対のデカップリング抵抗６０６と６０７を通してバリキャップ ダイオード６０８に接続されており、これは与えられた電圧に従って２５から１ ００ピコフアラツドで変化する。バリキャップダイオード６０８の可変容量とイ ンダクタ６０９のインダクタンス、例えハ、２．５マイクロヘンリーＶｉｉ対の 結合コンデンサ６１０および６１１を経由して発振回路６１２に結合される。本 実施例で増幅回路として実現される発振回路６１２はバリキャップダイオード６ ０８とインダクタ６０９の組合わせによって決定される周波数で、正弦波信号を 送出する。回路６１２によって送出された正弦波信号はコンデンサ６１３の一方 の入力端子に与えられ、その他方の入力端子は接地されている。従って、コンデ ンサ６１３は定められた周波数で矩形波を生ずる。この矩形波はその実行サイク ルを決定するためにマイクロプロセッサ１０１のＣＬＫ端子とモノステーブルマ ルチバイブレーク６１７の両方に与えられる。これは上述したようにＡＮＤゲー ト６１６の論理へ１〃信号に応答する。

モノステーブルマルチバイブレーク６１７は比較器６１３によって発生された矩 形波の前縁で予め定められたパルスを送信し、ＡＮＤゲートが論理５１′′信号 を送出した、そのデータワードをレジスタ６０１に記憶するまで、データバス１ ０４上の各データが安定であることを保証するために設けられている。

本実施例においては、マイクロコンピュータ１０１によって計算されるクロック 周波数と、ＶＣＯ１０２に対１０２の特性に従って予め定められている。従って 、マイクロプロセッサ１０１が与えられたクロック周波数を計算したとき、これ はＶＣＯ１０２が、そのディジタルワードに応動して与えられたクロック周波数 を発生するように予め定められた関係に従ってＶＣ０１０２に対してディジタル ワードを送信する。

上述した実施例は本発明の原理を単に例示するものにすぎず、本発明の精神と範 囲を逸脱することなく当業者が他の実施例を工夫することができることは理解さ れるであろう。例えば、ディジタルＶＣＯ１０２のＬｃ発振器による実現はスイ ッチ付きＲＣ発振器に置換することができ、ここで差分抵抗の抵抗値が回路から 着脱されて、Ｄ／Ａ変換器によって受信されるディジタルワードに応動して周波 数を変化させる。処理のおくれに従って周波数をめる代りに、データバス１０４ とアドレスバス１０５の活動を監視して、所要の周波数を判定する基礎として使 用することもできる。連続可変周波数クロックを使用する代りに、少数の離散的 周波数から選択を行なってもよい。例えば、スリーブ状態を持つオペレーティン グシステムによる電池供電のパーソナルコンピュータでは、オペレーティングシ ステムがスリーブ状態にあるときには、マイクロプロセッサのＣＰＵｆ′ｉダイ ナミック論理をリフレッシュするのに充分な低周波、例えば５００　ｋＨｚで動 作し、ウェイクアップが生じたときには、周波数を、例えば１０ＭＨｚ　の公称 動作周波数にすればよい。ある種の応用においては、所望のクロック周波数は実 時間ではなく、履歴的な動作レコードにもとすいて決定される。例えば、電話交 換方式を制御するのに使用される電話交換システムの制御に使用される分散マイ クロプロセッサの動′作周波数は１日の内の時間帯あるいはそれぞれの曜日に観 測される呼パターンに従って調整することができ、これによってシステムのエネ ルギー要求を減らすことができ木。このようなシステムでは多数のマイクロプロ セッサシステムの任意のものを有利に利用することができることが了解されるで あろう。さらに、本発明はゲートアレイのようなその電力消費がクロック周波数 の関数であるようなマイクロプロセッサによるシステム以外のクロック付きの電 気システムに応用することができる。

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Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．システムの処理負荷を判定し、 判定された処理負荷に従つてクロツクの周波数を調整する段階を含むエネルギー を節約するために可変周波数クロツクによつて駆動される電気システムを動作す る方法。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の方法において、さらに該判定ステツプと該調整ス テツプを定期的な間隔で繰返すことを特徴とする可変周波数クロツクによつて駆 動される電気的システムを動作する方法。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の方法において、該調整ステツプはさらに、判定さ れた処理負荷に従つて複数の周波数のひとつを選択し、 該クロツクの周波数を該選択された周波数に調整するステツプを含むことを特徴 とする可変周波数クロツクによつて駆動される電気的システムを動作する方法。
4. ４．請求の範囲第１項に記載の方法において、該処理ジヨブの各々はｎを１より 大きい正の整数として、ｎ個のタイプのひとつとなつており、該方法はさらに、 １からｎの間の各々の整数ｋについて、該システムによつて実行されるべきタイ プｋのジヨプの数Ｊｋを指定するデータを保持し、 該判定ステツプはさらに該データを読むステツプを含み、 該調整ステツプは ▲数式、化学式、表等があります▼ に従つて該クロツクの周波数ｆを調整するステツプを含み、 ここでｆｏは最小周波数、Ａｋはタイプｋのジヨプに関する重み付け係数、Ｃは 予め定められたスケールフアクタとなつている ことを特徴とする可変周波数クロツクによつて駆動される電気的システムを動作 する方法。
5. ５．請求の範囲第４項に記載の方法において、該保持のステツプはさらに、 タイプｋの各ジヨプが要求されるたびに該数Ｊｋを１だけ増分し、 タイプｋの各ジヨプが完了するたびに該数Ｊｋを１たけ減分する ことを特徴とする可変周波数クロツクによつて駆動される電気的システムを動作 する方法。
6. ６．予め定められた周波数でクロツク信号を発生するクロツク（１０２）と、 クロツク信号の周波数で規定される動作周波数で処理ジヨプを実行する処理デバ イス（１０１）を含む電気的システムにおいて クロツク（１０２）は可変制御であり、処理デバイス（１０１）は処理負荷を繰 返して判定して、クロツクの周波数を制御し、 システムはクロツクの周波数が低くなるに従つて、消費電力を小さくするように なつている ことを特徴とする電気的システム。
7. ７．請求の範囲第６項に記載の電気的システムにおいて、処理デバイスは処理負 荷にもとづいて動作周波数ｆを計算し、該可変クロツクに対して該計算された動 作周波数ｆによつて規定されるデイジタルワードを送信し、該可変クロツクは該 デイジタルワードに応動して該計算された動作周波数ｆで該クロツク信号を発生 することを特徴とする電気的システム。
8. ８．請求の範囲第７項に記載の電気的システムにおいて、該可変クロツクはさら に、 該デイジタルワードに応動してアナログ制御電圧を発生するコンバータ（６０２ ｝と、 該アナログ制御電圧によつて規定される周波数で該クロツク信号を発生するよう 該コンバータに結合された発振器（６１２）と を含むことを特徴とする電気的システム。
9. ９．請求の範囲第８項に記載の電気的システムにおいて、可変周波数クロツクは さらに 該コンバータと該発振器の間に接続され、該アナログ制御電圧をろ波するための 低域フイルタを含むことを特徴とする電気的システム。
10. １０．請求の範囲第６項に記載の電気的システムにおいて、該処理ジヨプの各々 はｎを１より大きい正の整数とし、ｎタイプのひとつとなつており、該システム はさらに１からｎの間の整数の各々の値ｋについて、該システムによつて実行さ れるべきタイプｋのジヨプの数Ｊｋを規定するデータを保持する手段を含み 該判定手段はさらに該データを読む手段を含み、該制御手段はさらに ▲数式、化学式、表等があります▼ に従つて動作周波数ｆを計算する手段を含み、ここでｆｏは最小周波数、Ａｋは タイプｋのジヨプに関連した重み付け係数、Ｃは予め定められたスケールフアク タであり、 可変周波数クロツク手段は該デイジタルワードに応動して、該計算された動作周 波数ｆで該クロツク信号を発生する ことを特徴とする電気的システム。