TWI454898B - 用於電壓調整器功率模式介面之裝置及電腦系統 - Google Patents

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Description

用於電壓調整器功率模式介面之裝置及電腦系統
本發明一般係關於計算平台之功率狀態控制,特別是,關於用以聯合一電壓調整器功率模式而控制功率狀態改變之介面。
計算平台一般使用功率管理系統(例如ACPI(先進組態與功率介面)),以藉由以不同功率狀態操作平台而節省功率,其係取決於所需活動(如由應用程式及外部網路活動所決定)。功率管理系統可實施為軟體(如來自作業系統)及/或硬體/韌體,其取決於一特定製造者的設計偏好。舉例來說,中央處理單元或處理器核心及其相關的效能等級可分別使用所謂的C及P狀態進行調整。
電壓調整器(VR)供應功率至中央處理單元(或中央處理單元的核心)一般係由中央處理單元或中央處理單元的功率控制單元所控制,以控制功率模式及所提供之電壓等級。舉例而言,電壓調整器可提供不同的操作模式,以針對不同的功率輸出需求改善效能。舉例來說,切換調整器(其係廣泛的使用)可針對較高及較低的電流分別增加或減少相腳(phase leg)。亦可在不同的切換頻率下操作,較小的電流用較低的頻率,而較大的輸出電流用較高的頻率。
一般而言,中央處理單元透過一或多個控制信號選擇 功率模式(如現用階段(active phases)的數量)。然而,由中央處理單元所選擇的模式係基於某些「預定義」設計規格而指示及/或選擇,而非基於中央處理單元需要或消耗的實際負載電流。一般係基於目前的中央處理單元操作狀態(如Px/Cx)或某些「活動因素」而做選擇。很遺憾地,這可能導致電壓調整器在比中央處理單元所消耗的實際電流所需或足夠之較不理想的效率狀態下運行。這可能也會導致電壓調整器操作中不必要的轉換,其造成額外的功率耗損及較低的中央處理單元功率傳送效率。許多電壓調整器所使用的另一技術為局部地感測輸出電流、以及基於所流出的實際電流而增加或除去階段。然而,此方法是電抗性的,因此電壓調整器需要大量的保護帶,或由於在部分電壓調整器構件的過度應力而造成效能降低。舉例來說,若中央處理單元電壓調整器感測到12A於其輸出,其理論上可運行於一階段,但由於電壓調整器對未來沒有能見度,其無法抓住機會且接近邊緣運行。因此,將可能在2階段模式中運行而導致次佳的效率。
因此,在某些具體實施例中,提供電壓調整器介面以動態地使電壓調整器操作與實際中央處理單元功率需求相關聯,而不是僅與操作狀態(如Cx或Px)相關聯。舉例而言,具有離散功率構件之一般的中央處理單元電壓調整器設計在只有一階段為有效時可傳送高達15A、在2階段 模式下可高達30A、而在3階段模式下可高達45A。因此,不需要從1階段模式切換到2階段模式,除非中央處理單元負載消耗超過一預定電流臨界(如15A)且持續一夠長的時間,因為在功率消耗期間足夠小的情況下,多數電壓調整器可處理偶發的過電流事件。
在某些具體實施例中,控制介面及相關的控制個體係提供以基於中央處理單元功率需求或實際中央處理單元電流消耗的預測,而同步化中央處理單元活動至中央處理單元功率傳送網路(例如電壓調整器操作模式)。在某些具體實施例中,同步化係以即時的方式控制,使得電源狀態或電源相關事件係基於一電壓調整器供應功率至中央處理單元(或核心)之特性而由中央處理單元(或核心)輸入。換言之,中央處理單元電壓調整器或中央處理單元功率傳送網路可針對下一個中央處理單元事件及其相關的功率需求而被積極的控制及調整至一適當的功率模式或階段。
圖1為根據某些具體實施例之具有電壓調整器控制介面之計算平台101的方塊圖。顯示了計算平台101的一部分。計算平台可為任何可利用本文所教示之原理的計算裝置。舉例而言,其可為一無線裝置(例如手機、筆記型電腦、隨身型電腦、或平板電腦)、或可為一桌上型電腦、伺服器電腦或類似者。
平台101包含一中央處理單元106、一電壓調整器(VR)102以供應一可控制電壓至中央處理單元、以及一電壓調整器控制介面(或VR介面)104以在其操作功率狀 態的環境中以中央處理單元負載需求協調電壓調整器操作模式。中央處理單元可為具有一或多個處理核心的任何處理單元。其可實施於個別的中央處理單元晶片中,或者其可為系統單晶片類型實施之部分的功能單元。
中央處理單元106包含一功率控制單元(PCU)108,用以(至少部分地)基於針對(或影響)中央處理單元的目前功率狀態而控制可操作中央處理單元供應電壓及頻率。功率狀態(如ACPI C及/或P狀態)可由PCU本身、或與一個別功率管理系統協力、或由個別功率管理系統單獨地指示,其可實施於硬體中或於軟體(例如一平台作業系統(OS))中。
功率控制單元藉由請求來自電壓調整器(例如經由一VID信號)的一電壓而控制供應電壓,且其接收來自電壓調整器的電壓供應(Vout/Iout)。在習知技術的方式中,功率控制單元除了提供VID信號至電壓調整器,也提供其控制信號(直接或間接)以控制其輸出功率模式。這些信號可包括用以選擇階段數量的信號及/或用以在較高或較低切換頻率下操作電壓調整器的信號。(舉例來說,切換類型電壓調整器在較高電流、較高頻率下係更有效率地操作,且其不但更有效率地操作且實際上可獲得更多電流而有較高的輸出電流)然而,在此所述的具體實施例中,電壓調整器介面104係設置於功率控制單元及電壓調整器之間以控制電壓調整器功率模式。
電壓調整器介面104決定中央處理單元(經由功率控 制單元)係轉換至不同的功率狀態,例如較高或較低的功率狀態。在某些具體實施例中,在功率控制單元「釋放」中央處理單元以轉換至下一中央處理單元功率狀態(如Px或Cx狀態)前,電壓調整器係設定為一適當的功率狀態(或「操作模式」)。(這係描述於圖3B的範例中)。此外,可巧妙快速地控制及調整電壓調整器操作模式的任何改變或轉換,以符合對某些產品需求或特定的應用使用模式的要求。舉例來說,電壓調整器介面可決定下一個較高的狀態不需較高的電壓調整器操作模式,例如因為其最差情況下的電流可被電壓調整器的目前模式所容忍或因為狀態發生的夠短暫而不會對電壓調整器造成損害的威脅或導致整體效能的增加。
圖2為顯示根據某些具體實施例之用以實施電壓調整器介面之一常用程式的流程圖。在202中,從例如功率控制單元做出功率狀態改變通知或請求。在204中,電壓調整器介面接收(或感知)請求。介面係識別針對所請求的下一狀態的相關資訊。此類資訊可包括功率狀態的可能電流範圍、中央處理單元將在下一功率狀態的時間量(例如,若有的話則估算)、在下一功率狀態之後即將到來的預期狀態、及類似者。
在206中,常用程式識別相關的電壓調整器資料。此資料包括目前功率模式資料,例如關於最大電流、在最大電流狀態下的最大時間、以及相關於剛識別之中央處理單元功率狀態資訊的效能資訊。在208中,常用程式決定下 一功率狀態是否為一較高的功率消耗狀態。若是,則其在210中決定電壓調整器是否可容忍下一個較高的功率狀態。這將取決於以下這類因素:在下一狀態中的最大可能電流、以及中央處理單元將在下一功率狀態中的預期或最大時間量。若常用程式認為電壓調整器可容忍下一狀態,則其進行至216而釋放中央處理單元(或功率控制單元或等效物)以進入到下一較高的狀態。
另一方面,若在210中,其係決定電壓調整器的功率模式應被調整(例如由於其無法處理最差情況下的電流需求),則在214中,開始一電壓調整器功率模式改變,以增加其功率模式等級。自此,在一足夠的延遲之後(若有需要或是適當的話),在216中,介面係釋放中央處理單元以改變其功率狀態。
回到208,若狀態改變不是到一較高狀態,則言外之意是其為到一較低狀態的改變,因此在212中,常用程式決定降低電壓調整器功率模式是否是合理的。舉例來說,介面可知道(或推論出)即將到來的較低功率狀態將具有一足夠小的期間,使轉換電壓調整器到較低狀態的切換耗損將抵消來自在較低狀態的任何節約。若其為合理的,則在214中,介面造成電壓調整器改變功率模式,即進入較低功率模式。自此,常用程式進行至216,且釋放中央處理單元(或功率控制單元)以進入下一功率狀態。若在212,其係決定電壓調整器模式不應被改變,則常用程式直接到216且釋放中央處理單元以改變狀態。
圖3A為習知平台之一事件-時間圖。圖3B為根據某些具體實施例之一平台的事件-時間圖,其係相較於圖3A。圖式係描述轉換路徑,其顯示在習知方式中,電壓調整器模式變化如何反作用到中央處理單元負載變化。相反地,圖3B顯示在本發明某些具體實施例中,電壓調整器變化如何順應中央處理單元負載變化。
圖4為根據某些具體實施例之具有電壓調整器控制介面之多核心計算平台之示意圖。所繪示的平台包含一中央處理單元晶片401,其經由一直接媒體互連(DMI)介面414/432而耦合至一平台控制集線器430。平台也包括耦合至記憶體控制器410的記憶體411以及耦合至顯示器控制器412的顯示器413。其亦包括耦合至一驅動控制器(例如所繪示的SATA控制器438)的一儲存驅動439(如一固態驅動)。其亦包括裝置418(如網路介面、WiFi介面、印表機、照相機、蜂巢式網路介面等),其係經由例如PCI Express之平台介面(中央處理單元晶片中的416及平台控制集線器(PCH)晶片中的446)及USB介面436、444而耦合。
中央處理單元晶片401包含處理器核心404、圖形處理器406、及最後一級快取(LLC)408。一或多個核心404執行作業系統軟體(OS空間)407,其包含一功率管理程式409。
至少某些核心404及圖形處理器406具有一相關的功率控制單元(PCU)405及電壓調整器403以供應其功率 。每一功率控制單元具有一電壓調整器控制介面(I),針對其相關的核心而與其相關的電壓調整器功率模式合作以協商功率狀態改變。如所述,每一功率控制單元係耦合至一功率管理程式409,其係實施於平台作業系統中以管理至少一部分的平台功率管理策略。(需注意,在此實施例中,功率管理程式409係以作業系統的軟體實施,其也可或另外實施於硬體或韌體中,如於中央處理單元及/或平台控制集線器晶片中)。
在先前的描述以及以下的申請專利範圍中,可把以下的用語解釋如下:可使用“耦合”與“連接”用語以及其變化形式。應該了解的是,該等用語並非作為彼此的同義字。反之,在特定實施例中,可使用“連接”來表示二個或更多個元件直接物理性或電性地彼此接觸。“耦合”可用以表示二個或更多個元件彼此合作或互動,但它們可或不可直接物理性或電性地接觸。
亦應該了解的是,在某些圖式中,係以直線來表示信號傳導線。某些直線可能較粗以表示較為重要的信號路徑、某些直線可能具有一編號以表示數條較為重要的信號路徑、及/或某些直線在一或多個端點上具有箭號以表示主要資訊的流動方向。然而,這不應該以限制性方式來闡述。反之,該種附加細節已經結合一或多個例示性具體實施例使用,以便較容易地瞭解一圖式。任何表示出來的信號線,不管是否具有額外資訊,可實際上包含於多個方向移動的一或多個信號,且可利用任何適當類型的信號方案來 實行該等信號,例如以差分對來實行的數位或類比線路、光纖線路、及/或單端線路。
應該要了解的是,可能已經給定了例示的大小/模型/數值/範圍,然本發明並不受限於此。隨著製造技術(例如光學微影)越來越成熟,所預期的是可製造出較小尺寸的裝置。此外,為了簡化描述與討論、並且也為了不模糊本發明,IC晶片與其他構件的習知電源/接地連線可或可不顯示於圖式中。再者,配置係以方塊圖形式顯示,以便避免模糊本發明,並且有鑑於參照該種方塊圖配置之實行方案係高度地仰賴當中用以實行本發明的平台,即該等特定細節應該屬於熟知技術者能清楚瞭解的範圍。已經列出特定的細節(例如電路)來解說本發明的範例性具體實施例,熟知技術者應該了解的是,不需要該等特定細節或其變化方案亦可實現本發明。本發明說明因此應被視為描述性而不具有限制性。
101‧‧‧計算平台
102‧‧‧電壓調整器
104‧‧‧電壓調整器控制介面
106‧‧‧中央處理單元
108‧‧‧功率控制單元
401‧‧‧中央處理單元晶片
403‧‧‧電壓調整器
404‧‧‧核心
405‧‧‧功率控制單元
406‧‧‧圖形處理器
407‧‧‧作業系統軟體
408‧‧‧最後一級快取
409‧‧‧功率管理程式
410‧‧‧記憶體控制器
411‧‧‧記憶體
412‧‧‧顯示器控制器
413‧‧‧顯示器
414‧‧‧直接媒體互連介面
416‧‧‧PCI Express
418‧‧‧裝置
430‧‧‧平台控制集線器
432‧‧‧直接媒體互連介面
436‧‧‧USB介面
438‧‧‧SATA控制器
439‧‧‧儲存驅動
444‧‧‧USB介面
446‧‧‧PCI Express
本發明具體實施例係以範例的方式而非限制的方式進行描述,在附圖中的每一圖式中,類似的元件符號係表示類似的元件。
圖1為根據某些具體實施例之具有電壓調整器控制介面之計算平台101的方塊圖;圖2為根據某些具體實施例之用以實施電壓調整器介面之一常用程式的流程圖; 圖3A為習知平台之事件-時間圖;圖3B為根據某些具體實施例之一平台之事件-時間圖;以及圖4為根據某些具體實施例之具有電壓調整器控制介面之多核心計算平台之示意圖。

Claims (14)

  1. 一種用於電壓調整器功率模式介面之裝置,包含:一控制介面,用以控制何時由一中央處理單元基於一電壓調整器供應功率至該中央處理單元之特性而輸入功率狀態,其中該控制介面為在一中央處理單元晶片中之一功率控制單元的部分,或可為連接至該中央處理單元功率控制單元之一單獨個體,其中該功率控制單元係接收一指令以自該中央處理單元之一作業系統中之一功率管理程式改變該中央處理單元功率狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該控制介面係接收發生一中央處理單元功率狀態改變之一指示,且其係基於該狀態改變而決定是否改變該電壓調整器功率模式。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置,其中該控制介面係決定該電壓調整器是否以一不同的電壓調整器功率模式而對該新的功率狀態更有效率地運轉,且若是則改變該電壓調整器功率模式。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該控制介面在釋放該中央處理單元功率狀態之前,使該電壓調整器進入一不同的功率模式。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該電壓調整器與該中央處理單元在相同晶片上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該功率控制單元係請求該功率狀態改變至該控制介面。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置,其中該功率控制單元係執行於包含該中央處理單元之一中央處理單元晶片。
  8. 一種電腦系統,包含:一中央處理單元晶片,包含複數個核心;其中每一核心具有耦合於一相關功率控制單元及一相關電壓調整器之間之一相關控制介面,以與其相關電壓調整器之功率模式合作以協商該核心的功率狀態改變,及一功率管理程式以控制該核心之該功率控制單元,其中該功率管理程式係實施於該核心之一作業系統中。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電腦系統,其中該電壓調整器為該中央處理單元晶片的部分。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電腦系統,其中若該功率狀態改變將持續一段足夠小量的時間,則每一控制介面係使其相關的電壓調整器停留在一目前功率模式。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之電腦系統,其中若該功率狀態改變係相關於該目前電壓調整器功率模式之一可接收範圍內之操作電流,則每一控制介面係使其相關的電壓調整器停留在一目前功率模式。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電腦系統,其中若該功率狀態電流範圍在一臨界之外,則該控制介面使該電 壓調整器功率模式改變,該介面係在允許該功率狀態針對該核心而改變之前使該功率模式改變。
  13. 一種用於電壓調整器功率模式介面之裝置,包含:一核心,處於一功率狀態;一電壓調整器,提供一可控制電壓至該核心且處於一功率模式;以及一控制介面,接收一請求以改變該核心至一下一功率狀態以及基於相關於該下一功率狀態之參數而自數個不同的功率模式選項決定該電壓調整器之該功率模式,其中該控制介面為在一中央處理單元晶片中之一功率控制單元的部分,或可為連接至該中央處理單元功率控制單元之一單獨個體。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之裝置,其中若該控制介面要改變該功率模式,則在允許進入該下一功率狀態前,該控制介面係使該電壓調整器改變至一不同的模式。
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