TWI402647B - 可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置、方法及電腦裝置 - Google Patents

可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置、方法及電腦裝置 Download PDF

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Description

可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置、方法及電腦裝置
本發明關於一種中央處理器之電壓控制裝置，尤指一種可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置、方法及電腦裝置。
在溫室效應持續發威的今日，全球各國無不致力於對抗這足以危害人類未來生存的猛獸，而其中最有效也是最直接的方法，就是節約能源。在個人電腦(PC)的領域中，中央處理器(Central Processing Unit，CPU)扮演最重要的角色，其強大的運算能力帶來了科技日新月異，但中央處理器的耗電也是一直為人所詬病的。
在個人電腦中，中央處理器所需要的操作電壓，是依據其工作模式所產生之電壓識別碼(Voltage Identification，VID)來決定的。圖1A繪示習知個人電腦中的一種供應中央處理器11之操作電壓的方塊圖，其中，由於中央處理器11所需要的操作電壓(Vcore)大小，並不是每個時刻都一樣的，例如，當中央處理器11進入省電模式時，其所需要的操作電壓便會比正常操作時的操作電壓為低。因此，中央處理器11會根據所需要的操作電壓來產生電壓識別碼(VID)。於圖1A中，中央處理器11產生電壓識別碼之後，係將其輸出至電壓調節模組(Voltage Regulator Module，VRM)12。繼而，電壓調節模組12會根據電壓識別碼來決定供給中央處理器11之操作電壓的大小。
此外，中央處理器提供廠商，例如美商英代爾(Intel)公司，已針對中央處理器的電壓與電流定義了一個關係式，並稱之為負載線(load line)，如圖1B所示為在以負載電流及操作電壓為XY軸平面上之負載線，此負載線所代表的涵義是當中央處理器11的電流變化時，電壓調節模組12必須改變相對應的電壓，而負載線的另一個重點是當中央處理器11操作在很重負載時，其電壓也不能低過最小電壓(minimum voltage)，否則不能保證系統的穩定性。以前述依照電壓識別碼來提供中央處理器11之操作電壓的電源供應方式，如欲降低或是增加CPU電壓以進行節能或提升中央處理器的效能時，並無法做到自動依照CPU的負載來調整適合的CPU電壓，因此往往需要使用者以手動的方式，自行設定降低或增加CPU電壓，但是正常系統不可能永遠處於輕負載或是重負載的狀況，所以造成中央處理器的效能與節能無法同時兼顧，例如，使用者為了增加系統的效能，手動地設定CPU超電壓，但是在閒置(idle)的情況下，此增加的CPU電壓是無用的，如此不但浪費電能，更可能導致散熱也變差。
本發明之一目的係提出一種可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置、方法及電腦裝置，其藉由軟體規劃的方式，動態地改變負載線的斜率及偏移量，而設計出新的負載線，以符合最低電壓的規範。
本發明之另一目的係提出一種可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置、方法及電腦裝置，其在CPU負載較輕的狀態下，可以對應到相對更低的CPU電壓，使得整體的耗電可以降低。
本發明之在一目的係提出一種可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置、方法及電腦裝置，其達成當CPU負載變化時，可動態地改變CPU電壓，以達成最佳之節能效果，同時發揮CPU本身應有的高效能。
依據本發明之一特色，其提供一種電壓控制裝置，用以接收一中央處理器所產生之電壓識別碼，以根據其中所設定之負載線而決定供給該中央處理器之操作電壓的大小，該電壓控制裝置包括：一負載線暫存器組，具有多個暫存器，該些暫存器之值代表所設定之負載線；以及一寫入邏輯，與該負載線暫存器組電性連接，係根據一寫入訊號而改變該負載線暫存器組中之暫存器值。
依據本發明之另一特色，其提供一種電腦裝置，包括：一中央處理器；一時脈產生器，電性連接該中央處理器，以產生中央處理器時脈，以供該中央處理器運作所需；一控制電路，連接該中央處理器以控制該中央處理器之運作模式；一電壓控制裝置，電性連接該中央處理器，以接收該中央處理器所產生之電壓識別碼，以根據其中所設定之負載線而決定供給該中央處理器之操作電壓的大小，該電壓控制裝置包括：一負載線暫存器組，具有多個暫存器，該些暫存器之值代表所設定之負載線；及一寫入邏輯，係根據一寫入訊號而改變該負載線暫存器組中之暫存器值；以及一系統控制器，透過匯流排連接該電源供應系，該系統控制器透過該匯流排發出該寫入訊號，以由該寫入邏輯來改變負載線暫存器組中之暫存器值。
依據本發明之再一特色，其提供一種電源供應方法，包括：提供一原始負載線，該原始負載線在一最小電壓時的負載電流為最大電流；改變該原始負載線的斜率，以獲得一斜率較原始負載線為平緩之平緩負載線；改變該平緩負載線的偏移量，而獲得一省電負載線，其中，所改變之偏移量係使得該省電負載線與該原始負載線在該最大電流處相交點；以及接收一中央處理器所產生之電壓識別碼，以根據該省電負載線而決定供給該中央處理器之操作電壓的大小。
圖2顯示本發明較佳實施例之可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置的示意圖，其中，電壓控制裝置22包括負載線暫存器組221、多個臨界值暫存器222,223,224、寫入邏輯225、及控制邏輯226，其中負載線暫存器組221具有多個暫存器2211，其值代表一負載線。上述寫入邏輯225分別與負載線暫存器組221及多個臨界值暫存器222,223,224電性連接。上述控制邏輯226亦分別與多個臨界值暫存器222,223,224電性連接。前述寫入邏輯225可依據匯流排21之寫入訊號而寫入(改變)負載線暫存器組221中之暫存器及臨界值暫存器222,223,224之內容。
圖3顯示本發明較佳實施例使用可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置的電腦裝置示意圖，其包括有中央處理器(CPU)31、系統控制器32、時脈產生器33、控制電路34、及前述電壓控制裝置22。中央處理器(CPU)31分別與時脈產生器33、控制電路34、及前述電壓控制裝置22電性連接。系統控制器32與電壓控制裝置22電性連接。
前述系統控制器32透過標準匯流排21連接電壓控制裝置22，其中前述時脈產生器33用以產生CPU時脈以供中央處理器31運作所需，前述控制電路34連接中央處理器31以控制中央處理器31之運作模式，例如可強迫中央處理器31進入省電模式(TM mode)，前述電壓控制裝置22可偵測中央處理器31之負載電流。在其他實施例中，亦可組設一偵測單元(圖未示)來偵測中央處理器31之負載電流，並產生一偵測結果，以輸出至電壓控制裝置22。
請一併參照圖2及圖3，前述電壓控制裝置22接收中央處理器31所產生之電壓識別碼(VID)，以根據電壓控制裝置22中所動態設定之負載線而決定供給中央處理器31之操作電壓(Vcore)的大小。其中，負載線是由負載線暫存器組221中的暫存器2211之值所設定，在本實施例中，負載線暫存器組221中的暫存器2211之開機初始值是對應中央處理器提供廠商所定義之原始負載線，如圖4所示，對應電壓 識別碼(VID)之原始負載線41在最小電壓(minimum voltage)時的負載電流(loading current)為最大電流Imax。
本發明較佳實施例利用電壓控制裝置22之寫入邏輯225動態調整原始負載線41，而設計出一種更省電的省電負載線43，並且保持中央處理器31原有的穩定性。其首先由系統控制器32透過匯流排21發出寫入訊號至電壓控制裝置22，以由電壓控制裝置22中的寫入邏輯225來改變負載線暫存器組221中的暫存器2211的值，俾改變原始負載線41的斜率，而獲得一斜率較原始負載線41為平緩之平緩負載線42，如圖4所示。
其次，再由系統控制器32透過匯流排21發出寫入訊號，以由寫入邏輯225改變負載線暫存器組221中之暫存器2211之值，以改變平緩負載線42的偏移量(亦即，將VID進行偏移)，而獲得該省電負載線43，如圖5所示，其中所改變之偏移量係使得省電負載線43與原始負載線41在最大電流Imax處相交點。據此，電壓控制裝置22接收中央處理器所產生之電壓識別碼(VID)，便根據該省電負載線43而決定供給該中央處理器之操作電壓(Vcore)的大小。由於省電負載線43所對應之CPU電壓皆低於原始負載線41之設定，如此達到省電的目的，且因省電負載線43所對應之CPU電壓皆不會低於最小電壓(minimum voltage)，故能保持中央處理器31之穩定性。
前述多個臨界值暫存器222,223,224分別具有其預設值或是由寫入邏輯225依據系統控制器32所發出在匯流排21上之寫入訊號所設定，俾以將中央處理器31的負載分成不同區間，於本實施例中，係提供有三個寫入臨界值暫存器222,223,224，其分別設定有大、中、小三個臨界值TH1,TH2,TH3(TH1>TH2>TH3)，而將中央處理器31的負載分成四個區間R1,R2,R3,R4，如圖5所示，其中，區間R1係指CPU負載大於臨界值TH1，區間R2係指CPU負載大於臨界值TH2且小於臨界值TH1，區間R3係指CPU負載大於臨界值TH3且小於臨界值TH2，區間R4係指CPU負載小於臨界值TH3。
前述電壓控制裝置22可進一步將偵測之中央處理器31的負載電流與上述臨界值TH1,TH2,TH3作比較，而進行監控中央處理器31的負載變化。其中，當中央處理器31的負載變換到不同區間R1,R2,R3,R4時，控制邏輯226可驅動OC1與OC2兩根訊號線的高/低(High/Low)變化來代表不同的四個區間，例如：OC1與OC2皆為Low時代表中央處理器31的負載在區間R1，OC1為Low而OC2為High時代表中央處理器31的負載在區間R2，OC1為High而OC2為Low時時代表中央處理器31的負載在區間R3，OC1與OC2皆為High時代表中央處理器31的負載在區間R4。
藉由此OC1與OC2訊號線輸出可通知電腦裝置目前中央處理器31處於哪種負載狀況下。而針對各種不同CPU負載，電腦裝置可以作出適合的對策，例如：將OC1與OC2訊號線為連接到時脈產生器33以控制所產生之時脈的頻率，因而當OC1與OC2訊號線之輸出改變時，同時也變化中央處理器31的頻率，其中，OC1與OC2皆為Low時代表中央處理器31的負載較高，可控制時脈產生器33產生較高頻率之時脈，反之，OC1與OC2皆為High時代表中央處理器31的負載較低，可控制時脈產生器33產生較低頻率之時脈。
此外，OC1與OC2訊號線亦可連接到控制電路34，以可由控制電路34根據OC1與OC2訊號線之輸出而控制中央處理器31之工作模式，例如當控制電路34偵測OC1與OC2訊號線之輸出代表了中央處理器31處於輕負載時，將觸發中央處理器31的PROCHOT#腳位，使得中央處理器31進入省電模式。
又，OC1與OC2訊號線亦可連接到系統控制器32，以根據OC1與OC2訊號線之輸出所代表之CPU負載之高低，系統控制器32可透過匯流排21發出寫入訊號，以由寫入邏輯225改變負載線暫存器組221中之暫存器2211之值，進而改變負載線的斜率及偏移量，使得在不同的負載狀況下，提供適合的CPU電壓。
前述電壓控制裝置22之控制邏輯226進一步提供一ALTER#訊號線輸出，此ALTER#訊號線係在中央處理器31的負載變換區間的同時，輸出一訊號，此ALTER#訊號線係連接到系統控制器32之中斷(interrupt)輸入，以利用中斷方式來通知電腦裝置目前中央處理器31的負載之變化，例如，藉由中斷來通知電腦裝置之軟體應用程式，而讓電腦裝置之使用者得知目前的CPU負載處於哪個區間。
圖6顯示一範例以說明針對不同中央處理器31的負載以做不同的設定，而可在輕負載的狀況下可以省電，在重負載的狀況下可以獲得更好的效能，如圖所示，其係當中央處理器31的負載處於區間R1時，將時脈產生器33產生之時脈的頻率增加5%；當中央處理器31的負載處於區間R3時，將時脈產生器33產生之時脈的頻率減少5%且改變負載線之斜率及偏移量；當中央處理器31的負載處於區間R4時，將時脈產生器33產生之時脈的頻率減少10%且改變負載線之斜率及偏移量，並強迫中央處理器31進入省電模式。
由以上之說明可知，本發明係提供一種可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置及使用其之電腦裝置，其可藉由軟體規劃的方式，動態地改變負載線的斜率及偏移量，而設計出新的負載線，以符合最低電壓的規範，並且在CPU負載較輕的狀態下，可以對應到相對更低的CPU電壓，使得整體的耗電可以降低。且經由偵測中央處理器的負載電流，並且提供臨界值的設定，再搭配軟硬體的輔助，而達成當CPU負載變化時，可動態地改變CPU電壓，以達成最佳之節能效果，同時發揮中央處理器本身應有的高效能。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
11．．．中央處理器
12．．．電壓調節模組
21．．．匯流排
22．．．電壓控制裝置
221．．．負載線暫存器組
2211．．．暫存器
222,223,224．．．臨界值暫存器
225．．．寫入邏輯
226．．．控制邏輯
31．．．中央處理器
32．．．系統控制器
33．．．時脈產生器
34．．．控制電路
41．．．原始負載線
42．．．平緩負載線
43．．．省電負載線
圖1A係一習知個人電腦中供應中央處理器之操作電壓的方塊圖。
圖1B係一負載線之示意圖。圖2顯示本發明較佳實施例之可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置的示意圖。
圖3顯示本發明較佳實施例使用可動態調整電壓及有效節能之電壓控制裝置的電腦裝置示意圖。
圖4顯示本發明動態調整負載線之示意圖。
圖5顯示本發明將中央處理器的負載分成四個區間之示意圖。
圖6顯示一範例以說明針對不同中央處理器的負載所做不同的設定。
21．．．匯流排
22．．．電壓控制裝置
221．．．負載線暫存器組
2211．．．暫存器
222,223,224．．．臨界值暫存器
225．．．寫入邏輯
226．．．控制邏輯

Claims (20)

  1. 一種電壓控制裝置，用以接收一中央處理器所產生之電壓識別碼，以根據其中所設定之負載線而決定供給該中央處理器之操作電壓的大小，該電壓控制裝置包括：一負載線暫存器組，具有多個暫存器，該些暫存器之值代表所設定之負載線；以及一寫入邏輯，與該負載線暫存器組電性連接，係根據一寫入訊號而改變該負載線暫存器組中之暫存器值，以改變該暫存器值所代表的負載線之斜率及偏移量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制裝置，其中，該負載線暫存器組中的暫存器之初始值對應一原始負載線，該原始負載線在一最小電壓時的負載電流為最大電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓控制裝置，其中，該寫入邏輯改變負載線暫存器組中之暫存器值，以改變該原始負載線的斜率，以獲得一斜率較原始負載線為平緩之平緩負載線。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓控制裝置，其中，該寫入邏輯改變負載線暫存器組中之暫存器值，以改變平緩負載線的偏移量，而獲得一省電負載線。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓控制裝置，其中，所改變之偏移量係使得該省電負載線與該原始負載線在該最大電流處相交點。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制裝置，其更包含：多個臨界值暫存器，分別設定有多個臨界值；以及一控制邏輯，用以將偵測之中央處理器的負載與該多個臨界值相比較，以進行監控中央處理器的負載變化。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電壓控制裝置，其中，該多個臨界值將該中央處理器的負載分成多個區間，該控制邏輯在該中央處理器的負載變換到不同區間時，驅動至少一第一訊號線的高/低變化來代表不同的區間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓控制裝置，其中，該控制邏輯在該中央處理器的負載變換到不同區間時，驅動一第二訊號線以輸出輸出一訊號來表示負載之變化。
  9. 一種電腦裝置，包括：一中央處理器；一時脈產生器，電性連接該中央處理器，以產生中央處理器時脈，以供該中央處理器運作所需；一控制電路，連接該中央處理器以控制該中央處理器之運作模式；一電壓控制裝置，電性連接該中央處理器，以接收該中央處理器所產生之電壓識別碼，以根據其中所設定之負載線而決定供給該中央處理器之操作電壓的大小，該電壓控制裝置包括： 一負載線暫存器組，具有多個暫存器，該些暫存器之值代表所設定之負載線；及一寫入邏輯，係根據一寫入訊號而改變該負載線暫存器組中之暫存器值；以及一系統控制器，透過匯流排連接該電壓控制裝置，該系統控制器透過該匯流排發出該寫入訊號，以由該寫入邏輯來改變負載線暫存器組中之暫存器值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電腦裝置，其中，該電壓控制裝置之負載線暫存器組中的暫存器之初始值係對應一原始負載線，該原始負載線在一最小電壓時的負載電流為最大電流。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電腦裝置，其中，該系統控制器透過該匯流排發出寫入訊號，以由該寫入邏輯改變負載線暫存器組中之暫存器值，俾改變該原始負載線的斜率，以獲得一斜率較原始負載線為平緩之平緩負載線。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電腦裝置，其中，該系統控制器透過該匯流排發出寫入訊號，以由該寫入邏輯改變負載線暫存器組中之暫存器值，俾改變平緩負載線的偏移量，而獲得一省電負載線。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電腦裝置，其中，所改變之偏移量係使得該省電負載線與該原始負載線在該最大電流處相交點。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之電腦裝置，其中，該電壓控制裝置更包含：多個臨界值暫存器，分別設定有多個臨界值；以及一控制邏輯，用以將偵測之中央處理器的負載與該多個臨界值相比較，以進行監控中央處理器的負載變化。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電腦裝置，其中，該多個臨界值將該中央處理器的負載分成多個區間，該控制邏輯在該中央處理器的負載變換到不同區間時，驅動至少一第一訊號線的高/低變化來代表不同的區間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電腦裝置，其中，該至少一第一訊號線連接至該時脈產生器，以驅使該時脈產生器控制所產生之時脈的頻率。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之電腦裝置，其中，該至少一第一訊號線連接至該控制電路，以驅使該控制電路控制該中央處理器之工作模式。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之電腦裝置，其中，該至少一第一訊號線連接至該系統控制器，以驅使該系統控制器由寫入邏輯改變負載線暫存器組中之暫存器值。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之電腦裝置，其中，該控制邏輯在該中央處理器的負載變換到不同區間時，驅動一連接到該系統控制器之中斷輸入的第二訊號線以輸出一訊號，俾以中斷來通知該中央處理器的負載之變化。
  20. 一種電源供應方法，包括： 提供一原始負載線，該原始負載線在一最小電壓時的負載電流為最大電流；改變該原始負載線的斜率，以獲得一斜率較原始負載線為平緩之平緩負載線；改變該平緩負載線的偏移量，而獲得一省電負載線，其中，所改變之偏移量係使得該省電負載線與該原始負載線在該最大電流處相交點；以及接收一中央處理器所產生之電壓識別碼，以根據該省電負載線而決定供給該中央處理器之操作電壓的大小。
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