确定有多性能状态能力的微处理器的转换点的方法.pdf

一种在基于要求的系统中自动把处理器转换到另一个性能级别的方法。本发明提供用于在保持系统响应性的同时进行处理器频率的自动调节。本发明的性能级别策略算法足够快地检测处理器使用率的提高，以便向比得上最大系统性能的更高性能级别转换。所述性能级别比得上最大系统性能。本发明实施例的性能级别策略算法延迟了处理器向较低性能级别的转换，使得所要求的快速反转不会促成不必要的转换。

1.  一种方法，包括：
监控具有处理器的计算机系统的处理器使用率，所述处理器具有多个性能级别；以及
如果确定该处理器使用率对于规定的时间持续高于向上切换的水平，则自动把该处理器转换到一个较高性能级别。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于性能级别的数量是2。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于向上切换的水平大约是当前处理器性能级别的95％。

4.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
如果确定处理器使用率对于规定的时间持续低于向下切换的水平，则在有下一个较低性能级别的情况下自动把该处理器转换到该下一个较低性能级别。

5.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述向下切换的水平大约是该下一个较低处理器性能级别的95％。

6.  一种装置，包括：
处理器；
接收第一信号的第一输入节点，所述第一信号指示：处理器使用率对于第一时间周期已经超过第一阈值，使得响应于该第一信号而把该处理器转换到一个较高性能级别；以及
接收第二信号的第二输入节点，所述第二信号指示：处理器使用率对于第二时间周期已经降到第二阈值以下，使得响应于该第二信号而把该处理器转换到一个较低性能级别。

7.  根据权利要求6所述的装置，其特征在于该第一阈值大约是当前处理器性能级别的95％。

8.  根据权利要求6所述的装置，其特征在于第一时间周期等于第二时间周期。

9.  一种提供可执行指令的机器可读介质，当由一个处理系统执行所述指令时，使上述处理系统执行一种方法，该方法包括：
周期性地监控具有处理器的计算机系统的处理器使用率，所述处理器具有多个性能级别；以及
如果确定该处理器使用率对于规定的时间已经持续高于向上切换的水平，则自动把该处理器转换到一个较高性能级别。

10.  根据权利要求9所述的机器可读介质，其特征在于性能级别的数目是2。

11.  根据权利要求9所述的机器可读介质，其特征在于向上切换的水平大约是当前处理器性能级别的95％。

12.  根据权利要求9所述的机器可读介质，进一步包括：
当处理器使用率对于规定时间已经持续低于向下切换的水平时，如果有下一个较低性能级别，就自动把该处理器转换到该下一个较低性能级别。

13.  根据权利要求12所述的机器可读介质，其特征在于，处理器使用率已经持续高于向上切换的水平而把该处理器转换到较高性能级别的规定时间周期，不同于处理器使用率已经持续低于向下切换的水平而把该处理器转换到下一个较低性能级别的规定时间周期。

14.  根据权利要求12所述的机器可读介质，其特征在于，向下切换的水平大约为下一个较低处理器性能级别的95％。

15.  根据权利要求12所述的机器可读介质，其特征在于，处理器使用率持续高于向上切换的水平而把该处理器转换到较高性能级别的规定时间周期大于处理器使用率监控周期。

16.  根据权利要求15所述的机器可读介质，其特征在于，处理器使用率持续低于向下切换的水平而把该处理器转换到下一个较低性能级别的规定时间周期等于处理器使用率监控周期。

确定有多性能状态能力的微处理器的转换点的方法
发明领域
本发明总地涉及计算机处理器的功率管理，尤其涉及用于确定最佳性能级别转换点的改进的方法。
发明背景
移动PC制造商竞相在降低或至少是维持功耗的同时，提高系统性能。移动PC性能已经得到了显著的提高。然而，由于人们不希望有更大的电池，并且电池效率尚未跟上处理器的性能的发展，所以使系统以峰值性能运行的电池寿命已被急剧地缩短。制造商引入了功率和性能控制的能力以延长电池寿命。例如，看电影的用户可能希望以降低质量为代价而降低功耗，以便把电池寿命延长到足以看完电影。功率和性能控制也被用于控制热量。例如，如果处理器过热，则用户可以降低性能，由此来降低功耗以及由此而降低热度。在典型的功率管理系统(PMS)中，用户向操作系统(OS)的功率管理部分提供一连串的输入。可选地，所述PMS可以是该OS的嵌入部分。对于电池寿命或系统性能，用户可以输入一个优先选择。用户可以指示对于DC操作的能源节约以及对于AC操作的系统性能最佳化。
在历史上，功耗的降低与系统性能的降低有着线性关系。例如，以500Mhz运行并使用10瓦特的系统，能被减缓到250Mhz及使用5瓦特。当系统偶尔遇到固定工作量时，呈现所述线性关系的PMS在延长电池的寿命方面几乎不提供益处。也就是说，以半速运行两倍长的时间的系统将达到同样的耗能量。虽然该系统将以较低温度运行，但是它不会完成更多地工作。
更多的新近的系统通过利用在CMOS电路中的支配功耗的方程式来处理这种关系。所述方程式是P＝kV²F，其中，P是消耗的功率，k是某个常数，V是施加的电压以及F是工作频率。这个等式的应用表明：电压的少许下降可能提供功耗的大幅度下降。因此，使用随着时间来施加功率的电压变化方案便允许利用较少的能量来完成固定的工作量，并且藉此而延长电池的寿命。一个典型的PMS将提供使用AC的高压/高频模式和使用DC的低压/低频模式。所述模式是通过软件程序来完成的，此软件程序检测是否已经插入了AC适配器，且相应地切换模式。用户也可以向该系统提供输入，并且如果希望的话，也可以选择不切换到低性能模式。该PMS软件可以结合到OS中，并向应用和驱动器指示：电源已经改变，接着该驱动器与切换模式的固件通信。
虽然这种PMS沿长了电池寿命，但其并没有解决性能降低的问题。当依靠电池时，系统以较低频率运行且用户不能充分受益于系统性能。如果用户把系统置于高性能模式，那么就会降低电池寿命。
附图的简要描述
本发明是通过实例的方式说明的，并不打算被局限于附图的描述，附图中相同的标记表示相同的元件，其中：
图1是说明用于实施本发明的计算机系统的图；
图2是用于实施本发明的功率控制电路的方框图；以及
图3描述了典型的处理器的使用率的曲线图。
详细描述
本发明的一个实施例提供了一种在基于要求的系统中转换处理器性能级别的方法。性能级别是规定的工作频率和它的相关电压。自动转换可以使用较少的转换开销，从而延长了电池寿命。本发明的一个实施例提供用于在保持系统响应性的同时，进行处理器频率的自动调节。在本发明的一个实施例中，处理器可以被转换到多重性能级别。
图1是说明实施本发明的示例性计算机系统100的图。在此所描述地，处理器使用率的采样、处理器使用率的变化的检测，以及处理器向不同性能级别的转换，可以在计算系统100中实施并被使用。计算系统100可以代表通用计算机、便携式计算机，或其它类似设备。计算系统100的部件是示例性的，其中可以省略或添加一个或多个部件。
参照图1，计算系统100包括中央处理单元102，它通过总线101耦合到显示电路105、主存储器104、静态存储器106以及大容量存储器装置107。计算系统100也可以通过总线101耦合到显示器121、小键盘输入装置122、光标控制器123、硬拷贝装置124，以及输入/输出(I/O)装置125。计算系统100可以包括如下所述的频率和电压调整电路。
总线101是用来传递信息和信号的标准的系统总线。处理器102是计算系统100的处理单元。处理器102可以用来处理计算系统100的信息。处理器102包括一个控制单元131、一个算术逻辑单元(ALU)132，以及若干被用来处理信息的寄存器133。
主存储器104可以是例如随机存取存储器(RAM)或某些其它动态存储装置，用来存储由处理器102所用的信息或指令(程序代码)。主存储器104也可以在由处理器102执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。静态存储器106，可以是诸如只读存储器(ROM)和/或其它静态存储装置，用来存储也为处理器102所用的信息或指令。大容量存储装置107可以是诸如硬盘或软盘驱动器或光盘驱动器，用来存储计算系统100的信息或指令。
显示器121可以是例如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)。显示装置121向用户显示信息或图形。计算系统100可以通过显示电路105与显示器121相接口。小键盘输入装置122是字母数字输入装置，用于向计算系统100传递信息和命令选择。光标控制器123可以是例如鼠标、轨迹球或光标方向键，用于控制显示器121上对象的移动。硬拷贝装置124可以是例如激光打印机，用来在纸张、胶片或其它类似介质上打印信息。若干输入/输出装置125可以耦合到计算系统100。
在本发明的一个实施例中，处理器102也可以包含功率管理软件134，以允许用户控制工作电压和工作频率。所述功率管理软件134可以配置I/O控制器150以便于根据出现的指定条件来方便电压和频率的缩放。I/O控制器150编程时钟产生电路135内的寄存器136。所述编程信息指示要如何改换时钟信号的工作频率。时钟产生电路135监控寄存器136并相应地更改时钟信号的频率。当确定工作频率已被降低后，I/O控制器150生成对电源电路(未示出)的电压更改控制信号。于是所述电源电路相应地降低电压。
在此所述的处理器性能级别转换策略算法可以由包含在计算系统100中的硬件和/或软件实现。例如，处理器102可以执行存于机器可读介质诸如主存储器104中的代码或指令，以决定何时在支持多性能级别的处理器上转换处理器性能级别。
机器可读介质可以包括一种机制来提供(即，存储和/或传送)诸如计算机的机器可读形式的信息。例如，机器可读介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置。代码或指令可以由载波信号、红外信号、数字信号以及其它类似信号来表示。
PMS可以有到该软件的若干输入。所述软件可以利用这些输入来确定处理器的性能级别。典型地，所述输入包括“电源”、对于AC的高性能级别以及对于DC的低性能级别；“热”，过量负载环境考虑，如果处理器过热则它把处理器转换到更低(即，较低温度)的性能级别；以及“用户优先选择”，借此用户可以在节能和提高性能之间进行选择。基于要求的PMS包括“处理器使用率”的输入，以便在用户需要较高级别的性能时转换到一个高性能级别。本发明的一个实施例采用一种快速提高/慢速降低(FUSD)转换策略以监控用户对处理器的要求(即处理器使用率)。一个可替换的实施例可以应用慢速提高/快速降低转换策略。所述监控可以通过周期性地读取处理器的时间标记计数器(TSC)和高分辨率计时器或者利用现有的本地OS机制来进行。当处理器没有处于睡眠状态时，所述TSC提供有关处理器活动的信息。处理器活动和频率的计算提供了一个给定时期内的使用情况。图2示出了在某些典型的工作负荷下的处理器使用率的示例性曲线图。例如，图2a示出了例如渲染(rendering)操作中的处理器使用率的曲线图。如所示的，处理器使用率迅速地提高到100％附近并保持在最高水平，直到处理结束。图2b示出了数字视频盘(DVD)的处理器曲线图。处理器使用率在一段延续的时间内升高到高水平并且有时降低到明显较低的水平。图2c示出了空闲系统的处理器曲线图。如所示的，处理器使用率除了由周期性的OS内务处理所引起的尖峰外，都处于低水平。本发明的一个实施例将快速地检测到高处理器使用率水平，并且把该系统自动切换到一个高频率性能级别。当处理器使用率下降时，该系统被自动切换到一个低性能级别。对于具有如图2a和2c所示的处理器使用率曲线的工作量来说，在性能级别间快速转换的能力并不是决定性的。然而，对于象如图2b所示的工作量来说，快速检测处理器使用率中的变化并将其转换到最佳性能级别，可以显著地提高能量效率。
根据本发明，每T秒测量一次处理器使用率。处理器使用率监控周期(T)应足够短以致快速地检测出处理器使用率的提高，这维持了系统的响应性。然而，T不应该太短而使处理器资源的负担过重。当检测到处理器使用率高出给定阈值时，系统被自动切换到一个较高性能级别。当检测到处理器使用率低于给定阈值时，该系统被自动切换到一个较低性能级别。在较高和较低性能级别间的频繁切换会加重处理器的负担，因此该FUSD转换策略允许从高性能级别到较低性能级别的切换不太频繁，使得处理器使用率的快速反转将不导致频繁的切换。例如，如图2b所示，处理器使用率在T₁时刻达到了例如95％的向上切换的阈值。系统自动转换到较高性能级别。在T₂时刻，处理器使用率下降到低于向下切换的阈值，例如75％，但是该系统并没有转换到一个较低性能级别。而是维持当前性能级别，直到在T₃时刻监控处理器使用率。在T₃时刻，该处理器使用率再一次高于向上切换的阈值，因此该较高性能级别被维持。在时间T₄-T₆，处理器使用率水平持续3T秒低于向下切换的阈值，然后该系统被转换到较低性能级别。该系统维持在所述低性能级别水平，直到处理器使用率再次升高到超出该向上切换阈值(即，直到T₉时刻)。
图3是按照本发明的一个实施例的处理流程图。如图3所示，处理过程300在操作305开始，为当前性能级别(即以当前频率)计算处理器使用率。所述计算可以每T秒完成一次。如上所述，把T选取得足够短以便于快速检测处理器使用率的提高，同时又不会太短以至于过度加重处理器资源的负担。根据经验，对于一个实施例，发现150毫秒(ms)的T值是适合于具有典型处理器使用率曲线图的典型系统的。在操作310中，该系统确定处理器使用率是否超出了规定的向上切换的阈值。对于本发明的一个实施例来说，该向上切换的阈值被规定为当前性能级别的95％。如果处理器使用率超出了该规定的向上切换的阈值，则在操作315中，系统确定处理器使用率超出所述阈值的时间是否比向上切换的周期长。所述向上切换的周期可以等于一个或更多处理器使用率监控周期T。对于一个实施例来说，该处理器监控周期等于150ms而向上切换周期等于300ms。
如果处理器使用率超过向上切换阈值的时间还没有比向上切换的周期长，那么在操作325该系统等待，直到下一个处理器使用率监控周期T期满，以及返回操作305。如果处理器使用率超出向上切换阈值的时间已经比向上切换的周期长，则在操作320自动地把该系统转换到下一个较高性能级别，并接着如上所述地进行到操作325。
再次参看操作310，如果该系统确定处理器使用率没有高出向上切换的阈值，则在操作330中，该系统确定处理器使用率是否低于一个规定的向下切换的阈值。对于本发明的一个实施例来说，所述向下切换的阈值被规定为下一个较低性能级别的95％。如果处理器使用率低于该规定的向下切换的阈值，则在操作335中，所述系统确定处理器使用率低于规定向下切换阈值的时间是否已经比向下切换的周期长。该向下切换的周期可以不同于该向上切换的周期。在一个实施例中，向上切换的周期等于300ms，而向下切换的周期等与1000ms。如果处理器使用率低于向下切换阈值的时间已经长于向下切换的周期，则在操作325中所述系统等待，直到下一个处理器使用率监控周期T期满，并返回操作305。如果处理器使用率低于向下切换阈值的时间已经长于向下切换的周期，则在操作340，该系统自动地转换到下一个较低性能级别，且接着如上所述进行到操作325。
再次参看操作330，如果系统确定处理器使用率不低于该向下切换的阈值，则在操作325该系统等待，直到下一个处理器使用率监控周期T期满，并返回到操作305。
在前述说明中，已经参照其特定的示范性实施例描述了所述发明。然而，显然可以对其做出各种修改和改变，而不脱离所附权利要求中所阐明的本发明更宽的精神和范围。因此，说明书和附图应该视为说明性的而不是限制性的。