TWI475371B - 電子裝置與其電源管理方法 - Google Patents

Description

電子裝置與其電源管理方法

本揭露是有關於一種電子裝置與其電源管理方法，且特別是有關於一種具有處理器的電子裝置與其電源管理方法。

處理器是各類型電子裝置的核心元件。處理器用以處理各類型的指令，並透過各類型的指令來聯繫並控制周邊元件。相對地，處理器也必須因應所執行的運算處理而消耗較多的電量。因此，現今電子裝置在設計上都會考量到處理器的電源管理機制，以藉此降低整體系統的耗電量。

舉例來說，對手機、平板電腦或車用的處理器而言，現有技術是採用動態切換處理器之工作頻率的方式，來降低處理器的耗電量。然而，在切換處理器之工作頻率的過程中，卻會引發處理器與周邊元件在通訊和控制上的問題，並導致處理器之運算效能的降低。

因此，如何降低處理器的耗電量，並維持處理器的運算 效能，已是手機、平板電腦或車用…等電子裝置在設計上所欲解決的一重要課題。

本揭露提供一種電子裝置，利用電源管理器動態地調節處理器的工作電壓與指令的執行時間，以降低處理器的耗電量，並維持處理器的運算效能。

本揭露提供一種電源管理方法，依據處理器所執行的指令動態地調節工作電壓與指令的執行時間。藉此，將可降低處理器的功率消耗，並同時維持處理器的運算效能。

本揭露之實施例的電子裝置，包括處理器與電源管理器。其中，處理器操作在一工作電壓下，並執行至少一指令。電源管理器提供工作電壓。此外，電源管理器依據處理器所執行的至少一指令的類型，動態地調節工作電壓與至少一指令所對應的執行時間。

本揭露之實施例的電源管理方法，適用於包括處理器與電源管理器的電子裝置，且電源管理方法包括下列步驟：透過電源管理器提供工作電壓至處理器，以致使處理器執行至少一指令；以及，依據至少一指令的類型動態地調節工作電壓與至少一指令所對應的執行時間。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧電子裝置

110‧‧‧處理器

120‧‧‧電源管理器

VS‧‧‧工作電壓

IN、IN31~IN38、IN61~IN64、IN71、IN72‧‧‧指令

SA‧‧‧週期調整訊號

S210、S220‧‧‧用以說明圖2實施例的各步驟流程

410‧‧‧動態電壓控制器

420‧‧‧指令週期控制器

421‧‧‧路徑模擬器

430‧‧‧電壓調節器

VR‧‧‧參考電壓

EN‧‧‧致能訊號

LCK‧‧‧鎖定訊號

MD‧‧‧模式確認訊號

CHK‧‧‧週期檢測訊號

VIN‧‧‧虛擬指令

CLK‧‧‧時脈訊號

S510~S550、S521~S523‧‧‧用以說明圖5實施例的各步驟流程

C61~C64‧‧‧指令週期

CEX‧‧‧額外指令週期

PT‧‧‧脈衝訊號

PT61~PT63‧‧‧脈衝

SE‧‧‧額外週期訊號

T61、T62‧‧‧時間點

L71、L72‧‧‧準位

T7‧‧‧任務週期

810、820‧‧‧曲線

圖1為依據本揭露一實施例之電子裝置的方塊示意圖。

圖2為依據本揭露一實施例之電源管理方法的流程圖。

圖3為依據本揭露一實施例之電子裝置的操作時序圖。

圖4為依據本揭露一實施例之用以說明電源管理器的方塊示意圖。

圖5為依據本揭露一實施例之用以說明圖2中步驟S320的流程圖。

圖6為依據本揭露另一實施例之電子裝置的操作時序圖。

圖7A為依據本揭露一實施例之處理器所接收到之工作電壓的時序圖。

圖7B為現有技術之處理器所接收到之工作電壓的時序圖。

圖8為在調整與不調整工作電壓下處理器因應不同類型的指令所耗費的功率消耗。

圖1為依據本揭露一實施例之電子裝置的方塊示意圖，且圖2為依據本揭露一實施例之電源管理方法的流程圖。請同時參照圖1與圖2，電子裝置100包括處理器110與電源管理器120。此外，如步驟S210所示，電源管理器120會提供一工作電壓VS至處理器110。藉此，處理器110將可操作在工作電壓VS下，並 執行至少一指令IN。

值得一提的是，處理器110可執行的指令包括多種類型。此外，在不同類型的指令下，處理器110內部所開啟與關閉之電晶體的個數也會不相同。因此，處理器110可相當於一動態負載，且所述動態負載會因應不同類型的指令而產生變動。基於處理器110所具備的動態負載特性，本揭露依據指令的類型動態地調節處理器110的工作電壓以及指令的執行時間，以藉此降低處理器110的功率消耗，並同時維持處理器110的運算效能。

舉例來說，如步驟S220所示，電源管理器120會預先讀取處理器110所欲執行的至少一指令IN，並依據所讀取到的至少一指令IN，動態地調節工作電壓VS與該至少一指令IN所對應的執行時間。

如此一來，參照圖3所繪示之依據本揭露一實施例之電子裝置的操作時序圖來看，處理器110依序執行多個指令IN31~IN38，且所述多個指令IN31~IN38的類型皆不相同。此外，電源管理器120會依據不同類型的指令IN31~IN38提供具有不同準位的工作電壓VS，並動態地調節各個指令IN31~IN38的執行時間。例如，當處理器110執行指令IN31時，電源管理器120會將工作電壓VS調整至1.4伏特(Volt，簡稱V)。相似地，當處理器110執行指令IN32時，電源管理器120會將工作電壓VS調整至1.8V。當處理器110執行指令IN33時，電源管理器120會將工作電壓VS調整至1.35V。

除此之外，隨著工作電壓VS的變動，電源管理器120會適時地通知處理器110延長指令的執行時間。例如，對處理器110而言，每一指令對應一個指令週期。此外，當處理器110接收到一週期調整訊號SA時，處理器110會在指令週期之後插入一額外指令週期。反之，在未接收到週期控制訊號的情況下，處理器110依舊會在一個指令週期內執行一個指令。

為了致使本領域具有通常知識者能更了解本揭露，圖4為依據本揭露一實施例之用以說明電源管理器的方塊示意圖，且圖5為依據本揭露一實施例之用以說明圖2中步驟S220的流程圖，以下請同時參照圖4與圖5來看電子裝置100的細部操作。

如圖4所示，在一實施例中，電源管理器120包括動態電壓控制器410、指令週期控制器420與電壓調節器430。此外，處理器110所執行的至少一指令IN包括第一指令與第二指令。動態電壓控制器410會預先存取第一指令與第二指令，並判別第一指令與第二指令的類型是否相同。

如步驟S510所示，當處理器110在第一指令週期內開始執行第一指令，且第一指令與第二指令的類型不相同時，電源管理器110會切換至一電壓調整模式。此外，如步驟S520所示，在電壓調整模式下，電源管理器120會依據第二指令的類型調整工作電壓VS，並依據第二指令所對應的第一虛擬指令，而決定是否在第二指令週期之後插入一額外指令週期。

舉例來說，圖6為依據本揭露另一實施例之電子裝置的 操作時序圖。如圖6所示，處理器110會依序執行第一指令IN61與第二指令IN62，且第一指令IN61為算數邏輯單元(Arithmetic and Logic Unit，簡稱ALU)指令，第二指令IN62為乘法累加(Multiply and Accumulate，簡稱MAC)指令。

處理器110與指令週期控制器420會分別接收一時脈訊號CLK，以作在一參考時脈。此外，在時間點T61之前，動態電壓控制器410已預先得知處理器110會接續執行不同類型的兩指令IN61與IN62。因此，當處理器110在時間點T61開始執行第一指令IN61時，電源管理器120會切換至電壓調整模式。

更進一步來看，圖5中的步驟S520包括步驟S521~S523。如步驟S521所示，在第一指令週期C61內，亦即在處理器110執行第一指令IN61的過程中，動態電壓控制器410會傳送與第二指令IN62相應的第一虛擬指令至指令週期控制器420。此外，動態電壓控制器410會依據第二指令IN62的類型調整參考電壓VR，以致使電壓調節器430在電壓調整模式下依據參考電壓VR調整工作電壓VS。其中，圖4以符號VIN表示動態電壓控制器410所傳送的至少一虛擬指令。

再者，如步驟S522所示，在第二指令週期C62內，電源管理器120會依據第二指令IN62所對應的第一虛擬指令，而決定是否在第二指令週期C62之後插入一額外指令週期CEX。此外，如步驟S523所示，當工作電壓不足以處理器110在第二指令週期內執行第二指令IN62時，處理器110會在第二指令週期C62之後 插入一額外指令週期CEX。

舉例來說，指令週期控制器420包括路徑模擬器421。其中，路徑模擬器421會發出脈衝訊號PT，並利用脈衝訊號PT中的脈衝(例如：PT61~PT63)來進行至少一虛擬指令VIN的模擬。藉此，路徑模擬器421將可判別處理器110是否可以因應工作電壓VS的變動而在一個指令周期內正確地執行一個指令。

例如，路徑模擬器421會因應第一虛擬指令發出脈衝PT61，並會利用脈衝PT61來模擬處理器110執行第二指令IN62的狀態。藉此，路徑模擬器421將可判別工作電壓VS是否足夠處理器110在第二指令週期C62內執行第二指令IN61，並依據判別結果而決定是否將一額外週期訊號SE載入至一週期檢測訊號CHK中。換言之，在第二指令週期C62內，指令週期控制器420會依據第二指令IN62所對應的第一虛擬指令，判別工作電壓VS是否足夠處理器110在第二指令週期C62內執行第二指令IN62，並據以傳送週期檢測訊號CHK至動態電壓控制器410。

當工作電壓VS不足以處理器110在第二指令週期C62內執行第二指令IN62時，動態電壓控制器410將可從週期檢測訊號CHK中讀取到額外週期訊號SE，並據以發送一週期調整訊號SA至處理器110。藉此，在動態電壓控制器410的控制下，處理器110會在第二指令週期C62之後插入一額外指令週期CEX，並在第二指令週期C62與額外指令週期CEX內執行第二指令IN62。相對地，在另一實施例中，倘若動態電壓控制器410並未讀取到 週期檢測訊號CHK中的額外週期訊號SE，則處理器110將僅在第二指令週期C62內執行第二指令IN62。

更進一步來看，如圖6所示，所述至少一指令IN更包括多個第三指令IN63~IN64，且這些第三指令IN63~IN64與第二指令IN62的類型相同。在操作上，如步驟S530所示，在多個第三指令週期C63~C64內，電源管理器120會依據這些第三指令IN63~IN64所對應的多個第二虛擬指令，判別是否在每一第三指令週期C63~C64之後分別插入一額外指令週期CEX。

舉例來說，動態電壓控制器410會依序傳送所述多個第二虛擬指令至指令週期控制器420。此外，在多個第三指令週期C63~C64內，指令週期控制器420會依據所述多個第二虛擬指令，而判別工作電壓VS是否足夠處理器110在這些第三指令週期C63~C64內執行這些第三指令IN63~IN64。

倘若工作電壓VS足夠處理器110在這些第三指令週期C63~C64內執行這些第三指令IN63~IN64時，電源管理器120將切換至一電壓鎖定模式。舉例來說，在圖6實施例中，動態電壓控制器410可透過週期檢測訊號CHK得知，連續的兩個第三指令週期C63~C64之後皆無須插入一額外指令週期CEX。此時，則代表工作電壓VS在電壓調節器430的調節下已趨於穩定，因此電源管理器120會在時間點T62切換至電壓鎖定模式。

具體而言，電源管理器120會在時間點T61切換至電壓調整模式，並在時間點T62切換至電壓鎖定模式。亦即，電源管 理器120會在時間點T61與T62之間維持在電壓調整模式。值得一提的是，指令週期控制器420會傳送模式確認訊號MD至動態電壓控制器410。藉此，動態電壓控制器410將可因應不同的模式來致能或是鎖定電壓調節器430。

在電壓調整模式下，動態電壓控制器410會傳送致能訊號EN至電壓調節器430。此外，動態電壓控制器410會依據第二指令IN62的類型判別第二指令IN62的功率消耗，並依據判別結果來調整參考電壓VR。例如，第二指令IN62相較於第一指令IN61具有較高的功率消耗，因此動態電壓控制器410會提高參考電壓VR的準位。此外，電壓調節器430將依據參考電壓VR不斷地調整工作電壓VS，以致使工作電壓VS可以穩定至參考電壓VR。藉此，處理器110將可在較高的工作電壓VS下執行第二指令IN62與第三指令IN63~IN64。

另一方面，當電源管理器120切換至電壓鎖定模式時，則代表工作電壓VS已穩定至參考電壓VR，故此時的動態電壓控制器410會傳送鎖定訊號LCK至電壓調節器430。藉此，電壓調節器430將停止調整工作電壓VS，並將工作電壓VS維持在參考電壓VR下。此外，在電壓鎖定模式下，動態電壓控制器410也會停止傳送虛擬指令至指令週期控制器420，以致使電源管理器120停止調節指令的執行時間。

換言之，如圖5之步驟S530與步驟S540所示，當每一第三指令週期之後皆未插入一額外指令週期時，電源管理器120 將切換至一電壓鎖定模式，且在電壓鎖定模式下，電源管理器120將停止調節工作電壓VS與指令的執行時間。如此一來，處理器110將可利用較低的工作電壓VS來執行低效能的指令，並利用較高的工作電壓VS來執行高效能的指令。藉此，與現有技術相較之下，本揭露將可有效地降低處理器110的功率消耗。

舉例來說，圖7A為依據本揭露一實施例之處理器接收工作電壓的時序圖，且圖7B為現有技術之處理器接收工作電壓的時序圖。如圖7A所示，在一任務週期(task period)T7內，處理器110會執行多個低效能指令IN71與多個高效能指令IN72。此外，當處理器110執行多個低效能指令IN71時，工作電壓VS會被降低至一低準位L71。反之，當處理器110執行多個高效能指令IN72時，工作電壓VS會被提升至一高準位L72。

換言之，對於非關鍵資料路徑上的低效能指令，本揭露會適時降低處理器110的工作電壓VS，而對關鍵路徑上的高效能指令，本揭露則會提供足夠的工作電壓VS。然而，對於現有技術而言，如圖7B所示，在一任務週期T7內，無論處理器執行低效能指令IN71或是高效能指令IN72，工作電壓VS依舊是維持在高準位L72。

除此之外，圖8為在調整與不調整工作電壓下處理器因應不同類型的指令所耗費的功率消耗。如圖8所示，處理器110可執行的指令包括：暫停(halt)指令、空白(No Operation，簡稱NOP)指令、位元運算(bit operation)指令、遞增/遞減指令、輸入/輸出存 取(I/O access)指令、暫存器搬移(register move)指令、分支跳躍(branch)指令、邏輯運算指令、移位(shift)指令、立即值(immediate)指令、相加/相減指令、指令記憶體(Instruction Memory，簡稱IM)存取指令、資料記憶體(Data Memory，簡稱DM)存取指令、乘法指令、MAC指令…等。

對現有技術而言，如圖8之曲線810所對應的長條狀圖形所示，倘若在一任務週期內處理器的工作電壓都維持在1.8伏特的情況下，則處理器110執行各類型指令所消耗的功率大多高於10.8mW。此外，對本揭露而言，如圖8之曲線820所對應的長條狀圖形所示，處理器110會因應指令的類型動態調整工作電壓，因此處理器110所消耗的功率大多低於7.2mW。換言之，與現有技術相較之下，本揭露可有效地降低處理器的功率消耗。

綜上所述，本揭露是利用電源管理器來提供處理器所需的工作電壓。此外，電源管理器會依據處理器所執行的至少一指令的類型，動態地調節工作電壓與至少一指令所對應的一執行時間。藉此，將可降低處理器的功率消耗，並同時維持處理器的運算效能。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電子裝置

110‧‧‧處理器

120‧‧‧電源管理器

VS‧‧‧工作電壓

IN‧‧‧指令

SA‧‧‧週期調整訊號

Claims (14)

1. 一種電子裝置，包括：一處理器，操作在一工作電壓下，並執行至少一指令；以及一電源管理器，提供該工作電壓，且該電源管理器依據該至少一指令的類型動態地調節該工作電壓與該至少一指令所對應的一執行時間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該至少一指令包括一第一指令與一第二指令，當該處理器在一第一指令週期內開始執行該第一指令，且該第一指令與該第二指令的類型不相同時，該電源管理器切換至一電壓調整模式。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電子裝置，其中在該電壓調整模式下，該電源管理器依據該第二指令的類型調整該工作電壓，並依據該第二指令所對應的一第一虛擬指令，而決定是否在一第二指令週期之後插入一額外指令週期。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電子裝置，其中當該第二指令週期之後插入該額外指令週期時，該處理器在該第二指令週期與該額外指令週期內執行該第二指令，當該第二指令週期之後未插入該額外指令週期時，該處理器僅在該第二指令週期內執行該第二指令。
5. 如申請專利範圍第3項所述的電子裝置，其中該至少一指令更包括多個第三指令，該些第三指令與該第二指令的類型相同，且在多個第三指令週期內，該電源管理器更依據該些第三指 令所對應的多個第二虛擬指令，而決定是否在每一該些第三指令週期之後分別插入該額外指令週期，其中當每一該些第三指令週期之後皆未插入該額外指令週期時，該電源管理器從該電壓調整模式切換至一電壓鎖定模式，並停止調節該工作電壓與該執行時間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的電子裝置，其中該至少一指令包括一第一指令與一第二指令，且該電源管理器包括：一動態電壓控制器，判別該第一指令與該第二指令的類型是否相同，其中當該處理器在一第一指令週期內開始執行該第一指令，且該第一指令與該第二指令的類型不相同時，該電源管理器切換至一電壓調整模式；以及一電壓調節器，提供該工作電壓，並在該電壓調整模式下依據一參考電壓調整該工作電壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述的電子裝置，其中該電源管理器更包括：一指令週期控制器，在一第二指令週期內，依據該第二指令所對應的一第一虛擬指令，判別該工作電壓是否足夠該處理器在該第二指令週期內執行該第二指令，其中當該工作電壓不足以該處理器在該第二指令週期內執行該第二指令時，該動態電壓控制器控制該處理器，以致使該處理器在該第二指令週期之後插入該額外指令週期。
8. 如申請專利範圍第7項所述的電子裝置，其中在該第一指 令週期內，該動態電壓控制器依據該第二指令的類型調整該參考電壓，並傳送該第一虛擬指令。
9. 如申請專利範圍第7項所述的電子裝置，其中該至少一指令更包括多個第三指令，該些第三指令與該第二指令的類型相同，其中在多個第三指令週期內，該指令週期控制器更依據該些第三指令所對應的多個第二虛擬指令，而判別該工作電壓是否足夠該處理器在該些第三指令週期內執行該些第三指令，其中當該工作電壓足夠該處理器在該些第三指令週期內執行該些第三指令時，該電源管理器切換至一電壓鎖定模式，且該電源管理器在該電壓鎖定模式下停止調節該工作電壓與該執行時間。
10. 一種電源管理方法，適用於包括一處理器與一電源管理器的一電子裝置，且該電源管理方法包括：透過該電源管理器提供一工作電壓至該處理器，以致使該處理器執行至少一指令；以及依據該至少一指令的類型動態地調節該工作電壓與該至少一指令所對應的一執行時間。
11. 如申請專利範圍第10項所述的電源管理方法，其中該至少一指令包括一第一指令與一第二指令，且依據該至少一指令的類型動態地調節該工作電壓與該至少一指令所對應的該執行時間的步驟包括：當該處理器在一第一指令週期內開始執行該第一指令，且該第一指令與該第二指令的類型不相同時，將該電源管理器切換至 一電壓調整模式；以及在該電壓調整模式下，依據該第二指令的類型調整該工作電壓，並依據該第二指令所對應的一第一虛擬指令，而決定是否在一第二指令週期之後插入一額外指令週期。
12. 如申請專利範圍第11項所述的電源管理方法，其中依據該第二指令的類型調整該工作電壓，並依據該第二指令所對應的該第一虛擬指令，而決定是否在該第二指令週期之後插入該額外指令週期的步驟包括：在該第一指令週期內，傳送該第一虛擬指令，並依據該第二指令的類型調整一參考電壓，以在該電壓調整模式下依據該參考電壓調整該工作電壓；在該第二指令週期內，依據該第一虛擬指令判別該工作電壓是否足夠該處理器在該第二指令週期內執行該第二指令；以及當該工作電壓不足以該處理器在該第二指令週期內執行該第二指令時，在該第二指令週期之後插入該額外指令週期。
13. 如申請專利範圍第11項所述的電源管理方法，其中當該第二指令週期之後插入該額外指令週期時，該處理器在該第二指令週期與該額外指令週期內執行該第二指令，當該第二指令週期之後未插入該額外指令週期時，該處理器僅在該第二指令週期內執行該第二指令。
14. 如申請專利範圍第11項所述的電源管理方法，其中該至少一指令更包括多個第三指令，該些第三指令與該第二指令的類 型相同，且依據該至少一指令的類型動態地調節該工作電壓與該至少一指令所對應的該執行時間的步驟更包括：在多個第三指令週期內，依據該些第三指令所對應的多個第二虛擬指令，判別是否在每一該些第三指令週期之後分別插入該額外指令週期；當每一該些第三指令週期之後皆未插入該額外指令週期時，將該電源管理器切換至一電壓鎖定模式；以及在該電壓鎖定模式下，停止調節該工作電壓與該執行時間。