TW298630B - Method and apparatus for enhancing performance of a processor - Google Patents

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經濟部中央樣準局負工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明領域 本發明是一種最佳化微處理器晶片工作速率的方法。 相關技術說明 一般所知，處理器晶片的性能是以其工作頻率來度 量：在較高頻率下工作的處理器晶片比在較低頻率下工作 者能在較短的時間內處理更多的資料。所以，最好能讓處 理器晶片在其最髙時鐘頻率下運作而不會因其內在的延遲 、熱破壞、或由太熱所引起的自動關機而降低其性能。 很多情形下，在電腦系統內的處理器晶片是在逮低於 其所能承受而不會顯示上述的故障或保護性關機的最高頻 率下工作。這可能有很多理由，例如：因爲處理器晶片象 徵性地被劃分成2或3種速率分類（如：66MHz、lOOMhz等 );所以，很多處理器晶片實際上可在比標準時鐘速率更 高的速率下工作，但卻被設在較低時鐘速率以符合電腦的 時鐘速率分類。此外，處理器晶片製造廠有時候生產過多 某個處理速率級數的晶片（例如，100MHz)，但由於公司的 行銷計劃，廠商故意以較低的速率級數銷售，維持低速率 直到市場壓力要求更高的速率級數。最後，有時候廠商只 在低電壓環境下測試處理器晶片。如典型的技術上所週知 ，當微處理器在較高的電源電壓下，可以增加其工作的最 高時鐘速率；這是因爲較高電壓導致整個處理器電路電容 性延時的縮短。然而，由於熱量上的考量、供應電壓需求 、和終極電壓感應的半導體損壞，處理器晶片的電源電壓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） ----^--*---f -裝------訂-----線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) · 經濟部中央棣準局天工消費合作社印製 A7 _B7_. _五、發明説明（2 ) 通常維持在低電壓。於是，某些處理器晶片雖然能在高很 多的時鐘速率下工作，卻由於在低電壓的環境下測試而被 歸爲較低時鐘速率一類。 一個已知的增加處理器性能的方法是：取消主機板上 的時鐘怍用而增加一較高頻率之時鐘源；可是，這樣的實 作經常需要所有在主機板上的系統元件（例如：記億體、 主機板匯流排、輸入/輸出單元等）在已增加的速率下工作 。於是，若其中一個系統元件無法在較高的@鐘速率下工 作，這樣的實例便無法使用。 因此，爲了最佳化單一處理器晶片性能，若一增加處 理器晶片的時鐘速率性能的方法或裝置可以被售後（a f t e -rmarke t)廠商或個人電腦（PC)使用者所採用，則該方法較 爲可行。 發明概述 一種方法，用以增加電腦系統中變頻處理器晶片性能 :其中，該晶片具有指定的最大電壓，且由數位控制電源 電壓供電；該方法包含如下步驟：給一數位電力供應控制 値以設定電源電壓至其指定最大電壓水平；給第一個數値 以設定時鐘速率爲胲處理器晶片工作的初始頻率；當晶片 的頻率設定後，決定該電腦系統是否運作正常：若電腦系 統運作不正常，則設定另一不同數値以降低時鐘速率，直 - — 到達到能使處理器晶片正常運作之最大時鐘速率爲止：若 電腦系統運作正常，則設定另一數値以增加時鐘速率，直 (請先閲讀背面之注意^項再填寫本頁) .裝. 訂

K 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 298630 A7 _ __B7_'_ 五、發明説明（3 ) 到達到能使處理器晶片正常運作之最大時鐘速率爲止。 在較佳實施例中，我們使用連續趨近法以增減時鐘速 > 1 - — 率。 在另一較佳實施例中，該方法更包含一些步驟，用以 處理器晶片溫度並產生中斷，用以在溫度超過門檻値 時，降低晶片的工作頻率直到處理器溫度回降至安全値爲 止：屆時，處理器可在其原始時鐘速率下運作。 在一特殊較佳實施例中，該方法包含增加處理器的冷 卻：在一實作中，我們使用風扇或散熱座以增加處理器的 冷卻。 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 另一方面，本發明的較佳實施例是一種增加變頻處理 器性能的方法：其中，處理器晶片由數位控制電源電壓供 電。該方法包含如下步驟：給電源供應器一數位電力供應 控制値以設定電壓至處理器晶片工作範圍內的電壓水平： 給處理器晶片第一個數位頻率控制値以設定時鐘速率爲該 處理器晶片工作的初始頻率：決定該處理器晶片是否在初 始頻率下正常運作；並給處理器晶片另一不同數位頻率控 制値以控制時鐘速率連同供應電壓，以決定處理器晶片正 常蓮作之最大時鐘速率。 在較佳實施例中，我們使用連續趨近法以增減時鐘速 率。 在另一較佳實施例中，該方法更包含一些步驟，用以 監控處理器晶片溫度並在溫度超過門檻値時，產生中斷， 降低處理器的工作頻率直到處理器溫度回降至安全値爲止 本紙張尺度適用中國困家橾準（CNS ) A4规格（210 X 297公釐） β 經濟部中央橾隼局貝工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) ;屆時，處理器可在其原始時鐘速率下運作。 而在另一較佳實施例中，該方法包含增加處理器的冷 卻：在一特殊較佳實施例中，我們使用散熱座或風扇以增 加處理器的冷卻。 附圖簡述 圖1是結合本處理器性能改良發明的電腦系統之示意 方塊圖。 圖2顯示圖1所描述的電腦系統中頻率轉換部分實作 之方塊圖。 圖3爲根據本發明，改良處理器性能之一般方法的流 程圖。 較佳實施例之詳細說明 '圖1爲根據本發明所建構的電腦系統100之示意方塊圖 。熟知相關技術者可瞭解：爲了清楚闓述本發明，電腦系 統100所包含的其他電路並未在圖1中顯示出。幫腦系統 100包括一中央處理單元（CPU)llO，舉例而言，該單元可 % 能含有一INTEL公司所生產的P6微處理器晶片。該CPU 110 與主機板上其他系統120，如：記憶體、輸入/輸出（丨/〇) 單元等，經由一微處理器匯流排130與核心邏輯135相互 通訊。處理器110也包括一電源供應暫存器140，用以儲 存電壓控制値來調節CPU的電源供應器145之電壓。 根據本發明之較佳實施例，我們切斷用來控制CPU電 本紙張又度適用中國國家橾丰（CNS ) A4规格（210X297公釐） ---------{威------^------f^ - - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉隼局貝工消费合作社印製 A7 _^_B7_^___五、發明説明（5 ) 源供應器145的電源供應控制暫存器的連接線，®源供應 器145改由外部控制器，如：開關陣列或分離的微控制器 來控制。 處理器110包括內在頻率轉換器160，用以產生內在 時鐘頻率，該頻率得自供應至主機板上系統元件的時鐘頻 率。頻率轉換器160經由167線從振盪器165接受時鐘输 入° 頻率轉換器160在重設（Reset)時所定的頻率下工作 ，而重設時是將製造商的硬體規格所定之電壓加諸於 CPU 110之接腳：而這些接腳由多工器（Multiplexer) 141 所推動。當重設未被斷言時，這些接腳由核心邏輯（ Core logic) 135所控制：重設期間，則由頻率控制硬體 143 (開關或硬線式跨接器，Hardw i r ed j umper)控制。 如習知的一般技術，亦如上面的簡短討論，處理器所 能i作的最大時鐘速率是電源電壓的函數，而此電壓是爲 防止電壓中斷而由晶片製造商所限制的範圍內供應至處理 器110。可是，當電源電壓增加時，熱感應之半導體損壞 的可能性也增加；所以，本發明利用熱處理技術，藉由系 統處理中斷（SMI)技術或，如特殊應用上的需求，引進額 外的散熱座以降低處理器溫度。當處理器Π0的溫度超過 某一値時，SMI技術讓處理器停止或減慢速度：_旦豳理 器Π 0充分冷卻後，即恢復正常運作。 由此可見，在某些應用，由於SMI而停止或減慢處理 器1 1 0的速度導致處理器1 1 〇雖有較高的供應電壓，實際 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂

.»J 本紙張尺度逡用中國國家橾隼（CNS )八4規格（210X297公漦） 經濟部中央標準局員工消费合作社印袈 A7 _B7___ 五、發明説明（6 ) 上卻在較慢的有效速率下運作。在這些應用上，我們應找 出對應該晶片的個別特徵，而處埋器110能在最佳可容許 的時鐘速率下運作的平衡。因此，根據本發明，我們提供 —種控制電源電壓與加諸於處理器110時鐘速率的方法， 用以找出處理器U0能運作的最佳時鐘頻率。此外，依此 方法，吾人可利用各個處理器的最大時鐘速率而不會冒著 縮短處理器110工作生命週期之危險。 在開機時，吾人可用處理器110的內在自我測試，在 頻率控制器143的控制下，決定處理器110的最佳運作時 鐘頻率。一旦該最佳時鐘頻率決定後，主機板上的處理器 110連同系統元件120與135即可正常操作。本發明利用處 理器時鐘頻率與主機板時鐘頻率間之可變的關係；因爲處 理器時鐘頻率可隨著主機板運作頻率而變化，所以吾人可 以定義處理器110的時鐘速率而不會影響主機板上的系統 元ί牛120與135之時鐘速率。 圖2爲通常包含於處理器110之頻率轉換器160之示 意方塊圇。如圖2所示，頻率轉換器160包含從167線接 受頻率輸入的頻率除法電路200，並經由三位元匯流排 2 ί2從三位元暫存器210接受頻率除數値。被除後的頻率 輸出20 2 (等於輸入頻率除以Α，其中Α是存於第一個暫 存器210的三位元比例輸入値）被當作鎖相電路（Phase ^- - locked loop) 2 2 0 的第一個輸入 202。 鎖相電路220的第二個输入232爲其輸出222經由一 頻率除法電路230反饋而來。頻率除法電路230除以鎖相 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐> (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部中央梂準局貝工消費合作社印裝 A7 B7__五、發明説明（7 ) 電路2 2 0的輸出訊號22 2—個儲存在三位元暫存器240的 比例値。該三位元比例値經由三位元匯流排242輸入至頻 率除法器2 3 0。 因爲鎖相電路220試圖維持第一與第二個輸入訊號的 相及頻率相等，所以，其輸出訊號2 2 2等於輸入訊號167 頻率乘以B除以A(其中B爲儲存在第二個三位元暫存器 24 0之値）。當鎖相電路220的輸出頻率222等於输入頻率 167乘以B除以A時，鎖相電路的第一與第二個輸入訊號 的頻率202與2 32皆等於輸入頻率除以A。該注意的是 ，在實施例中，A和B均爲二進計數器之三個位元，通常 其値範圍在1至8(十進位此外， 龙最大輸出=f輸入X 8且f最小輸出=f輸入+8 。因A與，B各有8種可能値，故有8 X 8 = 6 4種可能比 、^： 率値。如此一來，處理器時鐘可由A與B値間的比率決定， 因而主機板時鐘頻率與處理器時鐘頻率之間就無關聯了。 --__ 計數控制暫存器21Q與240是査在處理器的硬體中的表260 而得的典型輸出；暫存器250則是用來從査表中選擇一筆 項目。雖然査表在頻率轉換運作中並不需要，但是，它通 常被用來減少定義該比率値所需的接腳數目。在實施例中 _____ ，暫存器2 5分、210和240皆爲三位元暫存器，64個可能比 率減少至8個比率的子集合。通常我們用存於頻率選擇暫 —— 存器250的値來選擇査表中的項目。該暫存器在重設時， -10 - 本紙張尺度遄用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） T· ： (裝------訂------^ i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) - 經濟部中央棣準局貝工消费合作社印製 298630 A7 __ _B7_^__五、發明説明（8 ) 經由如圖1所示，於CPU 110上的I/O接腳142被載入。 圖3顯示本發明用來設定處理器工作時鐘速率至最佳 値的一般方法。如所示，此方法由開始方塊3 00啓動；然 後，如執行方塊（activity block) 3 0 5所示，使用一或多 種技術以冷卻CPU 110。如技術上所週知，每當我們想要 增加中央處理器的運作速度時，通常CPU因爲其活動增加 而發熱；於是，爲了避免如熱損害等的有害的效應，重要 的是，增加CPU 110的運作速度前，須提供CPU的冷卻。 在一實施例中，提供CPU冷卻之法有：額外的風扇或散熱 座、或軟體熱處理，每當超過門檻溫度時，用以降低CPU 11 0的運作速度。 於是，如執行方塊310所示，CPU 110的工作電壓被 設爲最大額定値·:也就是，通常CPU 110的製造商所提供 規格表中所定其所能工作之最大電壓値。因爲，如技術上 所齒知，增加工作電壓値通常會加快CPU 1 10的運作速度 ，所以，設定CPU 110的工作電壓爲最大額定値，能增加 C Ρ ϋ 11 0的性能。 —旦CPU 110的工作電壓被設爲最大額定値後，如執 行方塊315所示，CPU 110的性能以所有頻率控制値的比 率表示之。也就是，對每一個可能的A和B値（見圖2)， 首先用大家所熟悉的檫準評標（bench-mark 1 ng)軟體，如 :SEMANTEC 公司的 NORTON UTILITY等，對 CPU 110 進行測 試，看其是否通過自我診斷測試，若通過，則該A和B 比率値決定CPU的性能評分。表1是CPU 110樣本由比率 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4规格（210X297公釐）_ ^ _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) B7五、發明説明（9 ) 値（也就是圖2中被載入頻率選擇暫存器25 0的値）標明以 顯示頻率控制値特徵之表格。 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 表1 比率値 微處理器 通過診斷測試嗎？ (Y / Ν ) 正規化後之性 能評分 η Υ 1 . 0 η + 1 Υ 1.14 η + 2 . Υ 1.27 η + 3 Υ 1.34 π + 4 .Ν % η + 5 Ν η + 6 Ν (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 12 經濟部中央揲準局貝工消费合作社印裂 本纸張又度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 __B7_^_ 五、發明説明（10) 須注意，從CPU製造商的硬糖規格手冊上可得在每— 頻率控制値之下的CPU 110性能° 如執行方塊315所示，一旦CPU 110性能以所有頻率 控制比率値來表示後：可得最高性能評分之頻率控制値將 被載入頻率選擇暫存器250，以設定相對於最佳CPU性能 的比率；譬如：從表1所列的舉例値中，有正規化後之性 能評分爲1.34的比率値N + 3，對應能得最高性能評分之頻 率控制値：所以，N + 3將被載入頻率選擇暫存器250，以 決定CPU 110的工作速度。 於是，如執行方塊325所示，我們記下故障紀錄，以

決定CPU 110的故障率：而故障紀錄是：在實施例中，CPU 110出現處理錯誤的次數之紀錄。 如決定方塊 (decision block) 330所示，若故障率在 某一門檻値之上，則我們設定頻率控制値爲能得次高性能 評分之値（如表1中的N + 2);之後，重新回到執行方塊 3 25，以記下新的故障紀錄；當然，須注意在本發明的方 法中，雖然圖3示意其爲單一步驟，但是，要有利地記錄 故障紀錄即是要在CPU 110運作期間不斷地計算，以致每 % 當故障率趦過允許的門檻値時，即調整頻率控制値。 雖然本發明之較佳實施例已於上文詳細說明，但是， 只要不悖離此項發明的精神或中心特徵，在一般技術上做 某些明顯的修改是可理解的。例如：不是只有控制與電源 電壓無關的處理器時鐘速率，我們也可控制供應至處理器 110的電壓與處理頻率以決定最佳時鐘速率。此外，連績 -13 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·

，1T A7 B7 五、發明説明（U) 趨近法或其他方法都可以手動或自動地用來選擇處理器 110的最佳工作速度。因此，前面的說明可視爲舉例而非 限制：於是，如下所附的申請專利範圍可定義本發明的範 圍0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部中央揉準局負工消费合作社印製 本紙张尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 經济部中央揉準局貝工消費合作社印策 六、申請專利範圍 1 .—種甩以增加電腦系統中變頻處理器性能之方法 :其中，該處理器有一指定最大m壓水平，且由一數位控 制電源供應電壓供電：該方法包含如下步驟： 給一數位電源供應値至該供應電壓，以設定上述的指 定最大霉壓水平； 給第一個數値至上述處理器，以設定該處理器起始運 作頻率之時鐘速率； 當處理器設定在上述頻率時，決定是否前述電腦系統 正常地運作：而且 若當處理器設定在上述起始頻率時，前述電腦系統運 作並不正常，則給一不同數値至處理器，以降低該時鐘速 率，直到找到能正常地運作的最大時鐘速率爲止；而且， 若當處理器設定在上述起始頻率時，前述電腦系統運作正 常，則、給·處理器一數値，以增加該時鐘速率，直到找到電 腦系統能IE常地運作的最大時鐘速率爲止。 2.如申請專利範困第1項所述之方法；其中，連績趨 近法被用來增加或減少該時鐘速率。 3 .如申請專利範圍第1項所述之方法其中，該方法 更包括一些步驟：監控處理器的溫度、當溫度超過門檻値 時，產生中斷，以降低處理器運作頻率，直到處理器溫度 回復至處理器能在其原有時鐘速率下運作之安全値爲止。 4 .如申請專利範圍第1項所述之方法：其中，該方法 包括增加處理器之冷卻。 5. —種用以增加變頻處理器性能之方法：其中，該處 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ - (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 理器由一數位控制電源供應電壓供電：該方法包含如下步 經濟部中央揉準局胃工消費合作社印製 踩. 給一數位供電控制値至上述電源，以 處理器工作範圍內的電壓水平； 給第一個數位頻率控制値至上述處理 理器起始運作頻率之時鐘速率； 決定該處理器是否在該運作正常：而 給另一不同的頻率控制値至上述處理 之時鐘速率，連同供應電壓，以決定處理 的最大時鐘速率。 6 .如申請專利範圍第5項所述之方法 近法被用來增加或減少該時鐘速率。 7 .如申請專利範圍第5項所述之方法 更包括、一:些步驟：監控處理器的溫度、當 時，產生ψ斷，以降低處理器運作頻率， 回復至處理器能在其原有時鐘速率下運作 8 .如申請專利範圍第5項所述之方法 包括增加處理器之冷卻。 設定供電電壓至 器，以設定該處 且 器，以控制前述 器能正常地運作 ;其中，連績趙 :其中，該方法 溫度超過門檻値 直到處理器溫度 之安全値爲止。 ;其中，該方法 ---^--------{裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS } A4規格（210X297公釐） 16 -