TWI710889B - 電腦系統及其電源管理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電腦系統及其電源管理方法。電腦系統包括儲存裝置及處理器。處理器耦接儲存裝置，並經組態以執行下列步驟：取得儲存裝置的狀態轉換時間。狀態轉換時間是儲存裝置進入電源狀態及離開此電源狀態所花費的時間。依據狀態轉換時間改變轉換容許時間。反應於閒置逾時，處理器依據轉換容許時間與電源狀態的狀態轉換時間的比較結果決定儲存裝置是否進入電源狀態。藉此，可改善功耗及效能。

Description

電腦系統及其電源管理方法
本發明是有關在一種儲存裝置管理技術，且特別是有關在一種電腦系統及其用於儲存裝置的電源管理方法。
最初在微軟(Microsoft)系統下，由於安全性的考量，非揮發性記憶體快捷(Non-Volatile Memory Express，NVMe)儲存裝置並不被允許支援NVMe的自動電源狀態轉換(Autonomous Power State Transitions，APST)設定功能。因此，微軟標準非揮發性記憶體快捷驅動程式(Microsoft Standard NVM Express Driver，StorNVM/StorNVMe)具有自己的電源管理規則。就概念上而言，StorNVM的電源管理規則APST差不多。採用APST的電源管理規則的情況下，只需要透過系統端對驅動程式下指令要求NVMe儲存裝置進入電源狀態3(Power State 3，PS3)(淺度睡眠)或是電源狀態4(Power State 4，PS4)(深度睡眠)，裝置端韌體接收到指令後即會執行指定的命令。然而，StorNVM並不支援APST，因此StorNVM具備了一套類似APST功能的電源管理規則。此電源管理規則不允許使用者於系統端下指令強制裝置直接進入某個睡眠階段，而是只接受閒置逾時(timeout)方式進入睡眠。
圖1A及圖1B是StorNVM的電源管理機制。請先參照圖1A，最初的StorNVM只具有一層睡眠機制，即同一系統同一電源狀態下只允許一層睡眠模式。例如，交流(Alternating Current，AC)模式或直流(Direct Current，DC)模式下都只允許同時只能進入PS3或PS4中的某個電源狀態)。如圖1A所示，儲存裝置在運作模式下，反應於閒置逾時而進入PS4。請參照圖1B，直到視窗(Windows)紅石4(Redstone 4，RS4)之後，StorNVM才具備了允許兩階段的睡眠狀態，即同一系統狀態下有兩個逾時機制可分別進入兩種不同層面的睡眠狀態。如圖1B所示，儲存裝置在PS3下，反應於閒置逾時而進入PS4。
微軟的這套電源管理機制目前僅允許廠商自行調校適宜的參數，且產品出廠後基本上不提供給使用者更動。由此可知，如何設定並選擇一個適用其產品或裝置的電源管理規則，將是廠商的一個重要工作。電源管理除了會直接影響到系統端及裝置端的整體功耗外，也會間接影響裝置端的效能。儘管StorNVM的設計概念已經與APST相當雷同，但其本身仍存在一些使用上的限制，且不如APST般靈活。同一系統的設定並不一定適用所有NVMe儲存裝置，這將導致同時管理多個料件的廠商難以設計一套通用所有料件的電源管理機制。
有鑑於此，本發明實施例提供一種電腦系統及其電源管理方法，其調整轉換容許時間，以確保儲存裝置可進入睡眠狀態。
本發明實施例的電源管理方法適用於電腦系統，且此電腦系統包括儲存裝置。電源管理方法包括下列步驟：取得儲存裝置的狀態轉換時間。狀態轉換時間是儲存裝置進入電源狀態及離開此電源狀態所花費的時間。依據狀態轉換時間改變轉換容許時間。反應於閒置逾時，依據轉換容許時間與電源狀態的狀態轉換時間的比較結果決定儲存裝置是否進入電源狀態。
本發明實施例的電腦系統，其包括儲存裝置及處理器。處理器耦接儲存裝置，並經組態以執行下列步驟：取得儲存裝置的狀態轉換時間。狀態轉換時間是儲存裝置進入電源狀態及離開此電源狀態所花費的時間。依據狀態轉換時間改變轉換容許時間。反應於閒置逾時，處理器依據轉換容許時間與電源狀態的狀態轉換時間的比較結果決定儲存裝置是否進入電源狀態。
基於上述，本發明實施例的電腦系統及其電源管理方法是基於儲存裝置轉換電源狀態花費時間(即，狀態轉換時間)調整轉換容許時間。儲存裝置是在轉換容許時間大於狀態轉換時間的情況下才允許進入預定電源狀態。因此，透過調整轉換容許時間，可使儲存裝置切換至適宜的電源狀態，進而改善系統能耗及裝置效能。
為讓本發明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。
圖2A是依據本發明一實施例的電腦系統100的元件方塊圖。電腦系統100包括但不僅限在一台或更多台儲存裝置110、輸入輸出設備控制器130及處理器150。電腦系統100可以是桌上型電腦、筆記型電腦、伺服器、一體機(AIO)等電子裝置。
儲存裝置110可以是具備任何型態的非揮發性(non-volatile)記憶體(例如，反及(NAND)快閃、儲存等級記憶體(Storage Class Memory，SCM)、持久型(persistent)記憶體、3D Xpoint記憶體、磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory， MRAM)等具備非揮發性的儲存特性之記憶體)的固態硬碟(Solid-State Disk，SSD)。於本發明實施例中，儲存裝置110是基於非揮發性記憶體快捷(Non-Volatile Memory Express，NVMe)規範。然而，於其他實施例中，儲存裝置110的傳輸介面規範可能不同，且應用者可自行變化。
輸入輸出設備控制器130耦接儲存裝置110，輸入輸出設備控制器130並可以是平台路徑控制器(Platform Controller Hub，PCH)、輸入/輸出(I/O)路徑控制器(I/O Controller Hub，ICH)等用以管理匯流排介面、網路介面、儲存器介面或其他周邊裝置介面。
處理器150耦接輸入輸出設備控制器130。處理器150可以是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)或其他類似元件或上述元件的組合。在本發明實施例中，處理器150用以執行電腦系統100的所有作業，且可載入並執行儲存裝置110所記錄的作業系統、各軟體模組、驅動程式、檔案及資料。
圖2B是依據本發明一實施例的電腦系統100的軟硬體架構圖。請參照圖2B，處理器150運行作業系統151及儲存裝置驅動程式153。在一實施例中，作業系統151是微軟視窗(Windows)系統，且儲存裝置驅動程式153是StorNVM。作業系統151可運行系統程式或應用程式，並對儲存裝置驅動程式153下達命令(例如，相關於電源狀態切換、或參數設定)，即可經由輸入輸出設備控制器130控制或設定儲存裝置110的電源設定。需說明的是，於其他實施例中，作業系統151及儲存裝置驅動程式153的類型可能有其他變化。
為了方便理解本發明實施例的操作流程，以下將舉諸多實施例詳細說明本發明實施例中電腦系統100對於電源管理的運作流程。下文中，將搭配電腦系統100的各項元件及模組說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。
圖3是依據本發明一實施例的電源管理方法的流程圖。請參照圖3，處理器150取得儲存裝置110的狀態轉換(transition)時間(步驟S310)。具體而言，狀態轉換時間是儲存裝置110進入某一電源狀態及離開電源狀態所花費的時間。在微軟的StorNVM系統下，若欲使儲存裝置110在閒置逾時(timeout)後進入某一電源階段時，其電源狀態的設定(於本文定義為轉換容許時間，例如，視窗系統的電源選項中的NVMe電源狀態轉換延遲容許(Power State Transition Latency Tolerance))上必須大於此儲存裝置110進入及離開此電源狀態所需耗掉的時間(NVMe限制容許(Idle Tolerance)，即本文所定義的狀態轉換時間)。換句而言，反應於儲存裝置110閒置逾時，儲存裝置驅動程式153是依據轉換容許時間與電源狀態的狀態轉換時間的比較結果決定儲存裝置110是否進入此電源狀態。若比較結果是轉換容許時間大於電源狀態的狀態轉換時間，則儲存裝置驅動程式153才控制儲存裝置110進入此電源狀態。若比較結果是轉換容許時間未大於電源狀態的狀態轉換時間，則儲存裝置驅動程式153禁能(disable)/不將儲存裝置110進入此電源狀態(即，維持當前電源狀態)。
作業系統151可透過儲存裝置驅動程式153對儲存裝置110查詢在各電源狀態的狀態轉換時間。例如，透過命令提示字元(Command Prompt)/命令列殼層(PowerShell)下達狀態轉換時間的查詢命令。儲存裝置110的韌體可回覆其自身的狀態轉換時間。在一實施例中，儲存裝置110可能回覆進入某一電源狀態的延遲時間與離開此電源狀態的延遲時間，處理器150再將兩延遲(latency)時間之加總作為此電源狀態的狀態轉換時間。此外，本發明實施例是針對睡眠、低電源或休眠模式的電源狀態(例如，PS3、PS4等，其(最大)功耗低於正常模式)的狀態轉換時間。
接著，處理器150依據電源轉換時間改變轉換容許時間(步驟S330)。具體而言，轉換容許時間與電源轉換時間的比較結果影響儲存裝置110的電源狀態切換與否。表(1)是電源管理設定的範例。假設裝置編號1的儲存裝置要進入PS3的話，轉換容許時間必須設定成大於2毫秒(ms)；若欲進入PS4，則轉換容許時間必須設定成大於6ms。然而，同一轉換容許時間的設定未必適用所有儲存裝置。假設在交流(AC)模式(一般電源)下的轉換容許時間為5ms，且直流(DC)模式(電池使用中)下的轉換容許時間為15ms。基於此設定，電腦系統在AC模式下，裝置編號3及5的儲存裝置都無法進入睡眠模式(例如，PS3或PS4)，但其他儲存裝置都確保至少能夠進入PS3。另一方面，在DC 模式下，單一轉換容許時間的設定也無法統一讓不同儲存裝置進入相同的電源狀態/睡眠模式。 表(1)
裝置編號 PS3延遲(latency)/ 狀態轉換時間 PS4延遲/狀態轉換時間 交流模式   直流模式
1 2毫秒 6毫秒 PS3 PS4
2 4毫秒 7毫秒 PS3 PS4
3 6毫秒 55毫秒 未睡眠 PS3
4 2毫秒 490毫秒 PS3 PS3
5 14毫秒 49毫秒 未睡眠 PS3
6 1.2毫秒 8毫秒 PS3 PS4
這樣無法統一的問題衍伸出了相當多的問題。例如，能源之星(energy star)要求系統必須在閒置時能夠減少功耗，以符合環保規範。然而，在AC模式下，裝置編號4及5的儲存裝置就會面臨無法通過規範的問題。在DC模式下，若電腦系統同時裝載術台不同儲存裝置，不統一的睡眠程度也可能導致儲存裝置功耗過高，更無法達到平台的電池壽命規範(battery life spec)。
為了確保儲存裝置110在閒置逾時後能進入另一電源狀態(或睡眠模式)，在一實施例中，處理器150是增加轉換容許時間，並使轉換容許時間大於狀態轉換時間。增加轉換容許時間的數值可能是固定或不固定的數值，此數值並可能依據原轉換容許時間與狀態轉換時間的差異而改變。作業系統151可執行命令提示字元、PowerShell或分批腳本(batch script)，並透過登錄(registry)命令對儲存裝置110的驅動程式(即，儲存裝置驅動程式153)設定改變的轉換容許時間。
在一實施例中，儲存裝置110包括第一電源狀態及第二電源，其分別對應到兩種睡眠模式，且第二電源狀態的(最大)功耗低於第一電源狀態。例如，PS4的最大功耗通常低於PS3。儲存裝置驅動程式153提供AC模式及DC模式的轉換容許時間的設定。針對AC模式，處理器150是將其轉換容許時間設定成大於第一電源狀態的狀態轉換時間。針對DC模式，處理器150是將其轉換容許時間設定成大於第二電源狀態的狀態轉換時間。藉此，反應於儲存裝置110閒置逾時，可確保電腦系統100在AC模式下進入第一電源狀態，並確保在DC模式下進入第二電源狀態。
需說明的是，在其他實施例中，處理器150可僅針對第一電源狀態或僅針對第二電源狀態的狀態轉換時間來改變DC及AC模式的轉換容許時間，或者處理器150是基於兩電源狀態的狀態轉換時間的權重比例來改變改變DC及AC模式的轉換容許時間。
在另一實施例中，電腦系統100包括第二台或更多台儲存裝置110。處理器150將比較這些儲存裝置110的狀態轉換時間，並依據狀態轉換時間最大者改變轉換容許時間。具體而言，假設電腦系統110僅允許單一轉換容許時間的設定。為了確保所有儲存裝置110都能進入在閒置逾時後都能進入另一電源狀態，處理器150可將轉換容許時間設定成大於這些儲存裝置110中狀態轉換時間最大者。
舉例而言，表(2)及表(3)分別是兩台儲存裝置110的電源管理設定。處理器150詢問兩儲存裝置110第一個非運作狀態(例如，PS3)的狀態轉換時間(分別為14毫秒(10+4毫秒)及2毫秒(1+1毫秒))。處理器150依據狀態轉換時間最大者(即，14毫秒)決定轉換容許時間。例如，轉換容許時間被設定為15毫秒。 表(2)
電源狀態 運作狀態 最大功率 進入延遲時間 離開延遲時間
PS0 正常 5.5瓦 無 無
PS1 正常 3.5瓦 無 無
PS2 正常 3.0瓦 無 無
PS3 非運作 70.0毫瓦 4毫秒 10毫秒
PS4 非運作 2.5毫瓦 4毫秒 45毫秒
表(3)
電源狀態 運作狀態 最大功率 進入延遲時間 離開延遲時間
PS0 正常 7.9瓦 600微秒 600微秒
PS1 正常 7.9瓦 600微秒 600微秒
PS2 正常 7.9瓦 600微秒 600微秒
PS3 非運作 100.0毫瓦 1毫秒 1毫秒
PS4 非運作 5.0毫瓦 400毫秒 90毫秒
為了幫助讀者理解本發明實施例的精神，以下將舉另一實施例說明。
圖4是依據本發明一實施例實現電源管理方法的流程圖。請參照圖4，本發明實施例可透過檢測程式來實現，並可預設每次開機或反應於其他條件啟用檢測程式。電腦系統100啟動完成(步驟S410)後，處理器150檢查作業系統151是否支援微軟StroNVM(步驟S420)及電腦系統100是否具備NVMe儲存裝置(步驟S440)(兩步驟S420及S440的順序不限制)。若兩者皆否，則代表當前環境不需要進行轉換容許時間的調校及設定，且檢測程式可結束(步驟S430及S450)。若兩者皆為是，處理器150即會開始查詢並取得系統底下各個NVMe儲存裝置的狀態轉換時間(例如，NVMe 閒置容許(Idle Tolerance))(步驟S460)，並將取得的狀態轉換時間加上一毫秒(可變化，並使轉換容許時間增加) (步驟S470)，且將運算過後的參數(即，狀態轉換時間加上一毫秒的運算結果)透過微軟所提供的登錄命令下達給儲存裝置驅動程式153 (例如，StorNVM)(步驟S480)，即可完成檢測程式當次的作業(步驟S490)，並可將檢測程式關閉。如此做法，可以確保每一次開機進系統都能對儲存裝置110的電源管理達到優化效果，且檢測程式於任務執行完畢即關閉，不會造成系統負擔。
表(4)是功耗與效能的模擬結果。透過切換到正確的電源狀態，除了可確保系統的功耗可以取得平衡外，同時也可獲得顯著的效能提升。 表(4)
電源策略編號 第一逾時(timeout) 第二逾時 效能(與全時正常運作模式相比) 功耗
PCMark Vantage PCMark  8 平均 比較
1 100毫秒(PS4) 無 53% 49% 177毫瓦  
2 100毫秒(PS3) 無 95% 73% 155毫瓦 -12%
3 100毫秒(PS3) 1秒(PS4) 91% 71% 181毫瓦 2.26%
4 100毫秒(PS3) 3秒(PS4) 91% 73% 151毫瓦 -14.8%
綜上所述，本發明實施例的電腦系統及其電源管理方法，改變切換電源狀態判斷基準的轉換容許時間，使轉換容許時間大於儲存裝置在進入電源狀態及離開此電源狀態的延遲時間，以確保儲存裝置在閒置逾時後能進入另一睡眠、低電源或休眠模式，從而改善功耗並維持較好的效能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:電腦系統 110:儲存裝置 130:輸入輸出設備控制器 150:處理器 151:作業系統 153:儲存裝置驅動程式 S310~S330、S410~S490:步驟
圖1A及圖1B是StorNVM的電源管理機制。 圖2A是依據本發明一實施例的電腦系統的元件方塊圖。 圖2B是依據本發明一實施例的電腦系統的軟硬體架構圖。 圖3是依據本發明一實施例的電源管理方法的流程圖。 圖4是依據本發明一實施例實現電源管理方法的流程圖。
S310~S330:步驟

Claims (10)

  1. 一種電源管理方法，適用在一電腦系統，其中該電腦系統包括一儲存裝置，該電源管理方法包括： 取得該儲存裝置的狀態轉換時間，其中該狀態轉換時間是該儲存裝置進入一電源狀態及離開該電源狀態所花費的時間；以及 依據該狀態轉換時間改變一轉換容許時間，其中 反應於閒置逾時，依據該轉換容許時間與該電源狀態的該狀態轉換時間的比較結果決定該儲存裝置是否進入該電源狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源管理方法，其中依據該狀態轉換時間改變該轉換容許時間的步驟包括： 增加該轉換容許時間，使該轉換容許時間大於該狀態轉換時間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電源管理方法，其中依據該狀態轉換時間改變該轉換容許時間的步驟包括： 透過登錄(registry)命令對該儲存裝置的驅動程式設定改變的該轉換容許時間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電源管理方法，其中該電腦系統更包括一第二儲存裝置，依據該狀態轉換時間改變該轉換容許時間的步驟包括： 比較該儲存裝置及該第二儲存裝置的該狀態轉換時間；以及 依據該狀態轉換時間最大者改變該轉換容許時間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電源管理方法，其中該儲存裝置是基於非揮發性記憶體快捷(Non-Volatile Memory Express，NVMe)規範，且用於控制該儲存裝置的驅動程式是微軟標準非揮發性記憶體快捷驅動程式(Microsoft Standard NVM Express Driver，StorNVM)。
  6. 一種電腦系統，包括： 一儲存裝置；以及 一處理器，耦接該儲存裝置，並經組態以執行： 取得該儲存裝置的狀態轉換時間，其中該狀態轉換時間是該儲存裝置進入一電源狀態及離開該電源狀態所花費的時間；以及 依據該狀態轉換時間改變一轉換容許時間，其中 反應於閒置逾時，依據該轉換容許時間與該電源狀態的該狀態轉換時間的比較結果決定該儲存裝置是否進入該電源狀態。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電腦系統，其中該處理器經組態以執行： 增加該轉換容許時間，使該轉換容許時間大於該狀態轉換時間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電腦系統，其中該處理器經組態以執行： 透過登錄命令對該儲存裝置的驅動程式設定改變的該轉換容許時間。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電腦系統，更包括： 一第二儲存裝置，耦接該處理器，其中該處理器經組態以執行： 比較該儲存裝置及該第二儲存裝置的該狀態轉換時間；以及 依據該狀態轉換時間最大者改變該轉換容許時間。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的電腦系統，其中該儲存裝置是基於NVMe規範，且用於控制該儲存裝置的驅動程式是StorNVM。
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