CN101908200B - 具电源闸控功能的绘图处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有电源闸控功能的绘图处理系统及电源闸控方法。所述电源闸控方法，适用于一绘图处理单元，其中，所述绘图处理单元具有一统合着色器单元，且所述统合着色器单元包括多个着色器。所述电源闸控方法包括：绘制多个前画面；计算绘制每一前画面的一第一运作着色器数量及对应的一画面速度；根据每一前画面的所述第一运作着色器数量及对应的所述画面速度，用以决定绘制所述这些前画面之后的一下一个画面的一第二运作着色器数量；及根据所述第二运作着色器数量，通过一或多个电源闸控元件来启动对应的着色器。一种绘图处理单元，具有改进的电源闸控功能，得以根据各种绘图应用程序的需求来达到节省功耗的目的。

Description

具电源闸控功能的绘图处理系统及方法

技术领域

本发明是有关于绘图处理，特别是有关于具有电源闸控功能的绘图处理系统及电源闸控方法，根据画面速度的变化，来动态预测所需运作的着色器数量。

背景技术

一般而言，绘图应用程序包括复杂且高细节的图形绘制，例如：三维(3D)绘图，而为了符合目前在这方面不断增加的需求，于个人电脑或便携式装置中所设置的绘图处理单元(graphics processing unit，GPU)被用来处理大量的计算，用以显示各种物件，也因此十分耗电。进一步，对于使用电池供电的便携式装置而言，像是手机，由于电能消耗是一个特别重要的问题，因而减少手机中绘图处理单元所产生的功率消耗是有必要的。

于电子元件中，一般功率消耗的来源，主要包括：电源电压及工作频率所产生的动态功率消耗、以及因为漏电耗损所导致的静态功率消耗。随着半导体工艺技术的发展，漏电耗损所引起的静态功率消耗已成为主要问题。以65纳米(65nm)以下的工艺为例，超过40％的功率消耗起因于漏电耗损。

已知，诸如时脉闸控(clock-gating)技术或动态电压频率调变(dynamicvoltage and frequency scaling，DVFS)技术，是为常用的功耗节省方式，两者皆有效地减少动态功率消耗，但无助于减少漏电耗损，或帮助有限。此外，其他的已知方式，例如电源闸控(power-gating)技术，将电源闸控元件配置于整个绘图处理单元之上，通过电源闸控元件对整个绘图处理单元进行供电控制，但较缺乏弹性。或者，将电源闸控元件配置于内部的每一个元件中。当一元件为闲置时，通过对应的电源闸控元件关闭供给元件的电源，进而同时降低动态及静态功率消耗。然而，此一电源闸控机制需要额外的控制电路，用来开启或关闭供给每一个元件的电源，因此仍有功率消耗。除此之外，在执行电源闸控功能时，需要额外的时间(overhead)来恢复供给每一个元件的电源，使得已知的电源闸控机制耗时且无效率。

因此，需要一种绘图处理单元，具有改进的电源闸控功能，得以根据各种绘图应用程序的需求来达到节省功耗的目的。

发明内容

本发明的实施例提供一种具有电源闸控功能的绘图处理系统，包括一绘图处理单元及一驱动器。所述绘图处理单元包括一统合着色器单元及一或多个电源闸控元件。所述统合着色器单元包括多个着色器。所述这些着色器用以绘制多个前画面。所述一或多个电源闸控元件耦接于所述这些着色器，用以根据所述第二运作着色器数量，来启动对应的着色器。所述驱动器耦接于所述绘图处理单元，计算绘制每一前画面的一第一运作着色器数量及对应的一画面速度，并根据每一前画面的所述第一运作着色器数量及对应的所述画面速度，用以决定绘制所述这些前画面之后的一下一个画面的一第二运作着色器数量。

另一方面，本发明的实施例提供一种具有电源闸控功能的绘图处理系统，包括一绘图处理单元及一驱动器。所述绘图处理单元包括一统合着色器单元及一或多个电源闸控元件。所述统合着色器单元包括多个着色器。所述这些着色器用以绘制多个前画面。所述一或多个电源闸控元件耦接于所述这些着色器，用以根据所述第二运作着色器数量，来启动对应的着色器。所述驱动器耦接于所述绘图处理单元，计算绘制每一前画面的一第一运作着色器数量及对应的一画面速度，并根据每一前画面的所述第一运作着色器数量及对应的所述画面速度，用以决定绘制所述这些前画面之后的一下一个画面的一第二运作着色器数量。

本发明上述方法根据画面速度的变化，来动态预测所需运作的着色器数量，另根据各种绘图应用程序的需求来达到节省功耗的目的。

附图说明

图1是显示依据本发明绘图处理系统的电源闸控方法示意图。

图2是显示依据本发明实施例的一绘图处理单元方块图。

图3是显示依据本发明实施例的具有电源闸控功能的绘图处理系统。

图4是显示依据本发明实施例的一电源闸控方法流程图。

图5是显示依据本发明另一实施例的一绘图处理单元方块图。

图6是显示依据本发明另一实施例的一绘图处理单元方块图。

附图标号：

302～绘图处理单元；

304～驱动器；

308～仲裁器；

310～命令处理器；

312～应用程序介面；

314、316～应用程序；

318～存储器对应输入/输出；

320～统合着色器单元；

320A、320B、320C、320D～着色器；

328A、328B、328C、328D～电源闸控元件；

Vdd～电压源；及

Ck～时脉。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，详细说明如下。

图1是显示依据本发明绘图处理系统的电源闸控方法示意图。

于图1的实施例中，是一绘图处理单元102中加入电源闸控控制电路，致使所述绘图处理单元102具有电源闸控功能。进一步，于所述绘图处理单元102绘制一画面(frame)之前，事先通过一驱动器104决定所述画面所需的一画面速度(frame rate per second，FPS)，用以表示所述画面的绘制工作量。因此，所述驱动器104根据所述画面的绘制工作量，控制所述绘图处理单元102中相关功能元件的电源开启与关闭，藉以在不影响使用者及绘制效能(例如：画面所呈现的流畅性)前提下，改善所述绘图处理单元102的整体功率消耗。

具体来讲，于一实施例中，当所述绘图处理单元102完成一画面的绘制操作时，所述驱动器104计算出所述画面所对应的画面速度，用以决定下一个画面所需的画面速度(如箭头106所示)。接着，于所述绘图处理单元102进行所述下一个画面的绘制操作前，所述驱动器104便根据下一个画面的画面速度，控制所述绘图处理单元102，例如：设定相关功能元件的电源开启与关闭(如箭头108所示)。

于其它实施例中，更可利用多个前画面所对应的画面速度，决定下一个画面所需的画面速度。

图2是显示依据本发明实施例的一绘图处理单元202方块图。

参考图2，所述绘图处理单元202具有一统合着色器单元220(unifiedshader unit)，所述统合着色器单元220为多重处理器，能够于单一时脉内处理多个指令。所述统合着色器单元220包括多个着色器(shader processors orshader cores)，如220A、220B、220C等。每一着色器可以是一种向量(vector)及纯量(scalar)架构、或者是一种多数值(multiple scalar)的超长指令集(verylong instruction word，VLIW)架构，并有对应的暂存器档案及指令快取存储器。再者，每一着色器执行各种着色器程序，负责执行顶点着色(vertex shader)及像素着色(pixel shader)的操作，用以绘制每一画面。除此之外，所述绘图处理单元202更包括：固定功能几何阶段(fixed-function geometry stages)204、固定功能片段阶段(fixed-function fragment stages)206、一仲裁器208及一命令处理器210。

具体地，所述固定功能几何阶段204包括一剪裁器(clipper)212、一图元组合单元(primitive assembly)214及一串流接收器(streamer)216。于此一管线阶段中，所述串流接收器216接收一3D物体的顶点数据，并传送至着色器。之后，所述这些着色器220A、220B、220C执行相关着色程序来决定所述3D物体的顶点数据性质，用以将所述3D物体转换成显示于屏幕上的画面。接着，所述图元组合单元214执行几何组合，用以将顶点组合成多边形，像是三角形。所述剪裁器212消除可视区域以外的三角形。

进一步，所述固定功能片段阶段206包括一三角形建立单元222、一片段生成单元224、一阶层式深度处理单元226、一深度/模板(Z/stencil)测试单元228、一插补单元230及一描绘单元232。于此一管线阶段中，所述三角形建立单元222执行平面消除(face-culling)，去除无法显示的三角形，并计算三角形的边线方程序。所述片段生成单元224提供三角形的片段生成功能，用以计算出欲显示的像素(pixel)。所述阶层式深度处理单元226选择性地配置于所述固定功能片段阶段206中，用以舍弃三角形或视区以外的片段，并可一次舍弃整个片段区块。所述深度/模板测试单元228，利用深度缓冲器及模板缓冲器，来判断并舍弃被隐藏的片段。所述插补单元230将进行透视修正后的三角形属性进行插补，用以产生片段的属性。随后，再由所述描绘单元232执行像素描绘操作。于一实施例中，所述深度/模板测试单元228亦可配置于所述描绘单元232之后。

于操作中，所述命令处理器210用以接收各种绘图命令，并监控并设定所述这些着色器的电源状态。所述仲裁器208根据各种绘图命令进行执行绪排程(thread scheduling)，并将绘图命令分配至各着色器，用以进行3D绘图运算。由于所述统合着色器单元220负责大量的绘图运算，因此成为整个绘图处理单元202功率消耗的瓶颈。进一步地，因为每一个画面所需的绘制工作量不同，因此可藉由电源闸控来对每一个着色器进行供电控制，例如：分别对着色器220A、220B、220C的可电源闸控元件进行导通或切断的动作。如此一来，可有效降低所述绘图处理单元202的动态功率消耗或漏电耗损，使得所述绘图处理单元的整体功率消耗显著减少，且不影响应用程序的执行效能。

图3是显示依据本发明实施例的具有电源闸控功能的一绘图处理系统方块图。

参考图3，所述绘图处理系统包括一绘图处理单元302及一驱动器304。于图3所示的实施例中，所述绘图处理单元302包括一统合着色器单元320，其具有4个着色器320A、320B、320C及320D，用以绘制多个画面。类似于图2所示的统合着色器单元220，所述统合着色器单元320为多重处理器，可于单一时脉Ck中处理多个指令。进一步，所述绘图处理单元302包括4个电源闸控元件328A、328B、328C及328D，分别耦接于每一着色器。所述这些电源闸控元件根据对应的控制信号330A、330B、330C及330D，用以启动或关闭对应的着色器。所述驱动器304耦接于所述绘图处理单元302，从一应用程序介面(application programming interface，API)312接收并执行各种应用程序，例如：一第一应用程序314、一第二应用程序316等，用以对应地驱动所述绘图处理单元302进行绘图。所述绘图处理系统的电源闸控方法将配合第3及4图详细说明如下。

图4是显示依据本发明实施例的一电源闸控方法40流程图。

如上所述，在所述绘图处理单元302绘制一既定画面Frame_n+1的前，所述驱动器304可使用一种基于历史(history-based)计算方式，以先前已绘制画面Frame_n，Frame_n-1，…，Frame_n-m+1的画面速度FPS_n，FPS_n-1，…，FPS_n-m+1及所运作的着色器数量S_n，S_n-1，…，S_n-m+1为基础，用以预测所述绘图处理单元302绘制所述既定画面Frame_n+1时所需启动的着色器数量S_n+1。其中，m表示用以预测的前画面数量。接着，通过所述这些电源闸控元件，用以开启或关闭对应着色器的电源，使得所述绘图处理单元302更有效率地运算，并且改善所述绘图处理系统的整体功率消耗。

进一步，所述驱动器304是根据每一应用程序的请求来驱动所述绘图处理单元302执行各种绘图操作。因此，所述驱动器304亦可通过应用程序的请求来判断画面绘制的开始与结束，用以进行电源闸控的操作。举例而言，所述第一应用程序314可包括一指令SwapBuffer，用以表示画面绘制的结束，而应用程序316可包括一指令ClearBuffer，用以表示画面绘制的结束。于上述指令执行期间进行电源闸控操作的话，便不会影响到绘图的效能。

参考第3及4图，当所述驱动器304从所述应用程序介面312接收所述第一应用程序314时，所述驱动器304产生对应的命令封包，通过存储器对应输入/输出(memory-mapped I/O)318传送至所述绘图处理单元302的一命令处理器310(步骤S402)。

回应于所述指令SwapBuffer的执行，亦即表示所述既定画面Frame_n+1的前一个画面Frame_n已绘制完成，所述驱动器304随即计算所述这些前画面Frame_n，Frame_n-1，…，Frame_n-m+1所运作的着色器数量S_n，S_n-1，…，S_n-m+1及对应的画面速度FPS_n，FPS_n-1，…，FPS_n-m+1(步骤S404)。

举例来讲，当m＝5时，表示所述驱动器304计算出所述既定画面Frame_n+1的前5个已绘制画面Frame_n，Frame_n-1，…，Frame_n-4所运作的着色器数量S_n，S_n-1，…，S_n-4及对应的画面速度FPS_n，FPS_n-1，…，FPS_n-4。

除此之外，驱动器304根据这些前画面Frame_n，Frame_n-1，…，Frame_n-m+1的运作着色器数量S_n，S_n-1，…，S_n-m+1及对应的画面速度FPS_n，FPS_n-1，…，FPS_n-m+1，用以决定绘制所述既定画面Frame_n+1所需运作的着色器数量S_n+1(步骤S406)。

更具体地，所述驱动器304可根据下式决定绘制所述既定画面Frame_n+1所需的着色器数量S_n+1：

其中，m为所述这些前画面的数量、S_n，S_n-1，…，S_n-m+1为绘制所述这些前画面Frame_n，Frame_n-1，…，Frame_n-m+1所运作的着色器数量、FPS_n，FPS_n-1，…，FPS_n-m+1为所述这些前画面Frame_n，Frame_n-1，…，Frame_n-m+1所对应的画面速度、Target_FPS为依显示需求调整的一目标画面速度、α为一控制变数、且n≥m。

之后，当所述驱动器304从所述应用程序介面312接收所述第二应用程序316(步骤S408)时，回应于所述指令ClearBuffer的执行，亦即表示开始进行所述既定画面Frame_n+1的绘制操作，所述驱动器304根据所述既定画面Frame_n+1所需运作的着色器数量S_n+1及目前每一着色器320A、320B、320C及320D的电源状态，产生一对应命令封包，用以配置所述这些着色器320A、320B、320C及320D的电源开启及关闭，并将所述对应命令封包传送至所述命令处理器310(步骤S410)。于一实施例中，假设所述既定画面Frame_n+1之前一画面Frame_n所使用的着色器数量S_n大于绘制所述既定画面Frame_n+1所需运作的着色器数量S_n+1，则对应地关闭闲置(inactive)着色器的电源供应。反之，则对应地开启需运作(active)着色器的电源供应。

接下来，回应于所述命令封包，所述命令处理器310产生用以导通或切断每一电源闸控元件328A、328B、328C及328D的控制信号330A、330B、330C及330D，藉以设定所述这些着色器320A、320B、320C及320D的电源开启或关闭，并通知一仲裁器308(步骤S412)。

之后，所述仲裁器308可根据已启动的着色器，进行绘图命令分配，执行所述既定画面Frame_n+1的绘制操作(步骤S414)，例如：可以图块式绘制(tile-based rendering)的方式来绘制所述既定画面Frame_n+1。

于一实施例中，每一电源闸控元件包括一晶体管。如图3所示，每一电源闸控元件包括一NMOS晶体管，耦接于一电压源Vdd及每一着色器之间，且其闸极接收所述命令处理器310所发出的控制信号。因此，每一晶体管根据对应的控制信号被导通或切断，用以决定是否将所述电压源Vdd提供至每一着色器。

更进一步，于操作中，每一着色器320A、320B、320C及320D可以单独配置一纹理单元(texture unit)，或者共享一或多个纹理单元。因此，每一着色器320A、320B、320C及320D可通过各自的纹理存取路径332、334、336及338，从纹理单元接收纹理数据。于此情况下，亦可根据纹理单元的配置，弹性地调整电源闸控元件的分配。如此一来，可大幅提升电源管理的效率。上述的电源闸控机制将配合图5及图6详细说明如下。

图5是显示依据本发明另一实施例的一绘图处理单元502方块图。

参考图5，所述绘图处理单元502包括一统合着色器单元520、区域共享存储器512及514、纹理单元508及510、全域共享存储器516及执行绪处理单元518。

于此实施例中，所述统合着色器单元520具有多个着色器。所述这些着色器包括2个着色器丛集(cluster)504及506，各自使用所述区域共享存储器502及514进行绘图。此外，着色器丛集504及506各自耦接于2个纹理单元508及510，而所述全域共享存储器516由纹理单元508及510共享。具体地，每一着色器丛集各自包括8个着色器。所述执行绪处理单元518包括2个执行绪定序器522及524，用以进行执行绪的分配。

于此情况下，每一着色器丛集504及506可各自配置一电源闸控元件。如此一来，每一电源闸控元件的导通或切断，将启动或关闭对应的着色器丛集。此外，亦可同时对每一着色器丛集所属的区域共享存储器及纹理单元进行供电控制。不仅减少电源闸控控制电路的成本，亦可节省着色器周边相关元件所造成的功率消耗。

图6是显示依据本发明另一实施例的一绘图处理单元602方块图。

参考图6，所述绘图处理单元602包括一统合着色器单元620、一几何控制单元604、一着色器控制单元606及一纹理单元608。

于此实施例中，所述统合着色器单元620具有多个着色器。所述这些着色器包括2个多重着色处理单元(shader multi-processor)610及612，且所述2个多重着色处理单元610及612组成一着色器丛集，共同使用所述纹理单元608来进行绘图。所述几何控制单元604及所述着色器控制单元606用以接收数据及分配绘图工作。于图6中，每一多重着色处理单元包括8个着色器SP、I及C快取存储器(cache)、多重执行绪发布单元MT(multi-thread issue)、2个特别函数单元SFU(Special Function Unit)及共享存储器MEM，用以进行绘图运算。于此一架构下，多重着色处理单元610及612共享所述纹理单元608，因此，可将这2个多重着色处理单元610及612视为一个电源管理单位，由同一电源闸控元件进行供电控制。当所述电源闸控元件切断时，整个着色器丛集，亦即多重着色处理单元610及612，及所述纹理单元608将一起被关闭。进一步地减少不必要的电源闸控元件及功率消耗。

因此，通过本发明的绘图处理系统及其电源闸控方法，当进行绘图时，可以依据每一画面的画面速度变化关系，动态地控制需运作的着色器数量，从而减少不必要的功率消耗。

本发明的方法，或特定型态或其部份，可以以程序码的型态存在。程序码可以包含于实体媒体，如软盘、光盘、硬盘、或是任何其他机器可读取(如电脑可读取)储存媒体，亦或不限于外在形式的电脑程序产品，其中，当程序码被机器，如电脑载入且执行时，此机器变成用以参与本发明的装置。程序码也可以通过一些传送媒体，如电线或电缆、光纤、或是任何传输型态进行传送，其中，当程序码被机器，如电脑接收、载入且执行时，此机器变成用以参与本发明的装置。当在一般用途处理单元实作时，程序码结合处理单元提供一操作类似于应用特定逻辑电路的独特装置。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求范围所界定为准。

Claims (14)

1.一种电源闸控方法，适用于一绘图处理单元，其特征在于，所述绘图处理单元具有一统合着色器单元，且所述统合着色器单元包括多个着色器，所述电源闸控方法包括：

绘制多个前画面；

计算绘制每一前画面的一第一运作着色器数量及对应的一画面速度；

根据每一前画面的所述第一运作着色器数量及对应的所述画面速度，用以决定绘制所述前画面之后的一下一个画面的一第二运作着色器数量；及

通过一或多个电源闸控元件来启动对应于所述第二运作着色器数量的所述着色器；

其中，所述第二运作着色器数量是根据下式产生：

其中，S_n+1为绘制所述下一个画面的所述第二运作着色器数量、m为所述前画面的数量、S_n，S_n-1，…，S_n-m+1为绘制每一前画面的所述第一运作着色器数量、FPS_n，FPS_n-1，…，FPS_n-m+1为每一前画面所对应的所述画面速度、Target_FPS为一目标画面速度、α为一控制变数且n≥m。

2.如权利要求1所述的电源闸控方法，其特征在于，所述方法更包括：

利用已启动的着色器，用以绘制所述下一个画面。

3.如权利要求1所述的电源闸控方法，其特征在于，所述方法更包括：

执行一第一应用程序；及

回应于所述第一应用程序的执行，计算每一前画面的所述第一运作着色器数量及对应的所述画面速度，其中，所述第一应用程序对应于每一前画面的一结束。

4.如权利要求1所述的电源闸控方法，其特征在于，决定所述第二运作着色器数量的步骤包括：

于决定所述第二运作着色器数量之前，取得每一着色器的一电源状态。

5.如权利要求4所述的电源闸控方法，其特征在于，启动所述着色器的步骤包括：

执行一第二应用程序；及

回应于所述第二应用程序的执行，根据所述第二运作着色器数量及每一着色器的所述电源状态，产生一命令封包，用以控制所述一或多个电源闸控元件，

其中，所述第二应用程序对应于所述下一个画面的一起始。

6.如权利要求5所述的电源闸控方法，其特征在于，所述方法更包括：

回应于所述命令封包，产生一或多个控制信号，

其中，每一电源闸控元件是由一对应的控制信号导通或切断。

7.如权利要求6所述的电源闸控方法，其特征在于，每一电源闸控元件包括一晶体管，耦接于一电压源及至少一着色器之间，用以根据所述对应的控制信号决定是否提供将所述电压源提供至所述至少一着色器。

8.一种具有电源闸控功能的绘图处理系统，其特征在于，所述系统包括：

一绘图处理单元，包括一统合着色器单元及一或多个电源闸控元件，其中，所述统合着色器单元包括多个着色器，用以绘制多个前画面，所述一或多个电源闸控元件耦接于所述着色器；及

一驱动器，耦接于所述绘图处理单元，计算绘制每一前画面的一第一运作着色器数量及对应的一画面速度，并根据每一前画面的所述第一运作着色器数量及对应的所述画面速度，用以决定绘制所述前画面之后的一下一个画面的一第二运作着色器数量；

其中所述绘图处理单元通过所述一或多个电源闸控元件来启动对应于所述第二运作着色器数量的所述着色器；

其中，所述第二运作着色器数量是根据下式产生：

其中，S_n+1为绘制所述下一个画面的所述第二运作着色器数量、m为所述前画面的数量、S_n，S_n-1，…，S_n-m+1为绘制每一前画面的所述第一运作着色器数量、FPS_n，FPS_n-1，…，FPS_n-m+1为每一前画面所对应的所述画面速度、Target_FPS为一目标画面速度、α为一控制变数且n≥m。

9.如权利要求8所述的绘图处理系统，其特征在于，所述绘图处理单元利用已启动的着色器，用以绘制所述下一个画面。

10.如权利要求8所述的绘图处理系统，其特征在于，当一第一应用程序执行时，回应于所述第一应用程序的执行，所述驱动器计算每一前画面的所述第一运作着色器数量及对应的所述画面速度，且其中，所述第一应用程序对应于每一前画面的一结束。

11.如权利要求8所述的绘图处理系统，其特征在于，所述驱动器于决定所述第二运作着色器数量前，取得每一着色器的一电源状态。

12.如权利要求11所述的绘图处理系统，其特征在于，当一第二应用程序执行时，回应于所述第二应用程序的执行，所述驱动器根据所述第二运作着色器数量及每一着色器的所述电源状态，产生一命令封包，用以控制所述一或多个电源闸控元件，且其中，所述第二应用程序对应于所述下一个画面的一起始。

13.如权利要求12所述的绘图处理系统，其特征在于，所述绘图处理单元包括：

一命令处理器，耦接于所述驱动器，产生一或多个控制信号，用以回应于所述命令封包，

其中，每一电源闸控元件是由一对应的控制信号导通或切断。

14.如权利要求13所述的绘图处理系统，其特征在于，每一电源闸控元件包括一晶体管，耦接于一电压源及至少一着色器之间，用以根据所述对应的控制信号决定是否将所述电压源提供至所述至少一着色器。

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