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DE69629123T2 - Apparat und verfahren zum reduzieren des stromverbrauchs durch skalierung von spannung und frequenz - Google Patents

Apparat und verfahren zum reduzieren des stromverbrauchs durch skalierung von spannung und frequenz Download PDF

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DE69629123T2
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voltage
frequency
operating
clock signal
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Ketan Bhat
T. Robert JACKSON
Borys Senyk
P. Eugene MATTER
H. Stephen GUNTHER
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Intel Corp
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Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Bauelemente. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Reduzierung des Energieverbrauchs eines elektronischen Bauelements durch Spannungs- und Frequenzskalierung.
  • 2. Beschreibung der mit der Erfindung verwandten Technik
  • Im Verlaufe der letzten Jahre hat es viele Fortschritte in der Halbleitertechnologie gegeben, welche zur Entwicklung verbesserter elektronischer Bauelemente geführt haben, die über Schaltkreise verfügen, die bei höheren Frequenzen arbeiten und zusätzliche und/oder verbesserte Merkmale unterstützen. Während diese Fortschritte die Hardware-Hersteller in die Lage versetzt haben, schnellere und höherentwickelte Hardware-Produkte (z.B. Computer, Peripherieeinrichtungen etc.) zu konstruieren und zu bauen, haben sie auch einen Nachteil mit sich gebracht, den hauptsächlich batteriebetriebene Laptop- oder Notebook-Computertypen erfahren. Insbesondere verbrauchen diese verbesserten elektronischen Bauelemente mehr Energie und leiten als Nebenprodukt mehr Wärme ab als jene elektronischen Bauelemente vorheriger Generationen.
  • Es ist bekannt, dass moderne batteriebetriebene Laptop-Computer großen Wert auf die Reduzierung des Energieverbrauchs legen, da eine derartige Reduzierung die Batterielebensdauer erhöht. Gegenwärtig besteht eine Haupttechnik zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Laptop-Computern in der Verringerung der Frequenz des Taktsignals, das an eines seiner elektronischen Bauelemente, nämlich seine zentrale Verarbeitungseinheit ("CPU"), bereitgestellt wird. Diese (hierin als „Frequenzreduzierung" bezeichnete) Technik wird normalerweise ausgeführt, indem das an die CPU bereitgestellte Taktsignal (d.h, der CPU-Takt) geteilt wird oder indem alternativ das Taktsignal für kurze Zeitintervalle angehalten wird, so dass die durchschnittliche Betriebsfrequenz reduziert wird.
  • Andere Beispiele für dem Stand der Technik entsprechende Anordnungen sind offenbart in: EP 0539884 (Toshiba); EP 0632360 (Xerox); „Dynamic power management by clock speed variation", IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 32, Nr. 8B, 1990, Seite 373; Schultz, C.P., „Dynamic Glock control for microprocessor system energy management", Motorola Technical Developments, Bd. 14, 1991, Seiten 53–54; EP 0566395 (Dia Semicon Systems); und EP 0474963 (Toshiba).
  • Es wird auf 1 Bezug genommen; es wird eine Kurve dargestellt, die die Energieeinsparung zeigt, die durch ein elektronisches Bauelement basierend auf der herkömmlichen Frequenzreduzierungstechnik realisiert wird. Es ist bekannt, dass elektronische Bauelemente im Allgemeinen so ausgelegt sind, dass sie innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs arbeiten. Dieser Frequenzbereich 10 ist zwischen den Punkten A und B dargestellt, wobei Punkt A die minimale Frequenz repräsentiert, die für den Betrieb des elektronischen Bauelements benötigt wird, und Punkt B die maximale Frequenz repräsentiert, die das elektronische Bauelement unterstützen kann. Theoretisch ist die Energie der Frequenz direkt proportional, wie hierin dargestellt. Somit wird, wie durch Punkte C und D gezeigt, eine Reduzierung der Betriebsfrequenz des elektronischen Bauelements um zehn Prozent (10%) seinen Gesamtenergieverbrauch ebenfalls um zehn Prozent (10%) von P1 auf P2 reduzieren. Natürlich sind echte Energieeinsparungen der Frequenzreduzierung nicht genau proportional, da nahezu jedes Hardware-Produkt mit elektronischen Bauelementen implementiert wird, welche Energie verbrauchen, aber frequenzunabhängig sind (z.B. Displays für Computersysteme).
  • Diese herkömmliche Frequenzreduzierungstechnik bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich. Ein entscheidender Nachteil besteht darin, dass die Frequenzreduzierung eine minimale Erhaltung der Batterielebensdauer bietet, da die Energiemenge, die von dem der Frequenzreduzierung unterworfenen elektronischen Bauelement benötigt wird, um eine bestimmte Aufgabe auszuführen, konstant bleiben kann. In einigen Situationen kann die Frequenzreduzierung – in Abhängigkeit von der gewählten Konfiguration der frequenzabhängigen und frequenz-unabhängigen Bauelemente in einem Produkt, wie beispielsweise in einem Laptop-Computer – die Erhaltung der Batterielebensdauer nachteilig beeinflussen. Dies ist weitgehend auf die Tatsache zurückzuführen, dass das elektronische Bauelement, während es bei einer geringeren Frequenz arbeitet, zusätzliche Betriebszeit benötigt, um die Aufgabe zu beenden. Im Ergebnis dessen veranlasst diese zusätzliche Betriebszeit die frequenzunabhängigen Bauelemente in dem Produkt, mehr Energie zu verbrauchen, welche in einigen Fällen alle Energieeinsparungen überschreitet, die durch die reduzierte Betriebsfrequenz des elektronischen Bauelements realisiert werden.
  • Folglich ist es wünschenswert, eine Spannungsversorgungs- bzw. Energiesteuerschaltung zu gestalten und eine Technik zur Reduzierung des Energieverbrauchs zu entwickeln, welche von jedem beliebigen Typ eines elektronischen Bauelements, insbesondere Mikroprozessoren, genutzt werden können, um dessen Energieverbrauch ohne wesentliche Leistungsminderung wirksam zu reduzieren.
  • Ein weiterer Vorteil, den die Energiesteuerschaltung bietet, besteht darin, dass sie die Implementierung von elektronischen Bauelementen mit vollständiger Frequenz und vollständiger Spannung in energieempfindlichen Hardware-Produkten begünstigt, anstatt das elektronische Bauelement so zu konfigurieren, dass es wirksam wird, wenn ein Zustand des ungünstigsten Falls eintritt. Stattdessen stützt sich das elektronische Bauelement auf Spannungs- und Frequenzskalierung, um das elektronische Bauelement basierend auf seinen verschiedenen Zuständen zu dem Zeitpunkt dynamisch zu konfigurieren. Somit wird die Gesamtleistung des Produkts, welches das elektronische Bauelement implementiert, verbessert.
  • Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Firmen ihre Bestände an elektronischen Bauelementen, die entweder für Laptop- oder Desktop-Systeme vorgesehen sind, reduzieren können, indem keine elektronischen Bauelemente mehr erforderlich sind, die so kalibriert sind, dass sie eine bestimmte Spannung und Betriebsfrequenz haben, sondern stattdessen die Spannung und Frequenz des elektronischen Bauelements basierend auf den aktuellen Zuständen, die das elektronische Bauelement erfährt, dynamisch kalibriert werden.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energiesteuerschaltung und ein Verfahren, um, unter anderem, den Energieverbrauch eines elektronischen Bauelements zu reduzieren. Die Energiesteuerschaltung umfasst eine Steuereinrichtung, eine Takterzeugungsschaltung, eine Energieversorgungsschaltung und andere Mittel, wie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht wird. Die Steuereinrichtung, die von einer Energie-Management-Software gesteuert wird, signalisiert der Energieversorgungsschaltung und der Takterzeugungsschaltung, eine Spannungs- und Frequenzskalierung an dem elektronischen Bauelement auszuführen – unter der Voraussetzung, dass mindestens einer von zwei Zuständen eintritt. Ein erster Zustand ist beispielsweise der, wenn festgestellt wird, dass die Temperatur des elektronischen Bauelements ein oberes Temperaturniveau überschritten hat. Ein zweiter Zustand ist der, wenn festgestellt wird, dass sich das elektronische Bauelement für einen ausgewählten Prozentsatz der Einschaltzeit im Leerlauf befindet.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlich, wobei:
  • 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der theoretischen Energieeinsparung zeigt, welche durch eine herkömmliche Frequenzreduzierungstechnik realisiert wird.
  • 2a ein Diagramm zur Veranschaulichung des theoretischen „Quadrat"-Verhältnisses zwischen Spannung und Energie zeigt.
  • 2b ein Diagramm zur Veranschaulichung der Energieeinsparung zeigt, die von einem elektronischen Bauelement realisiert wird, welches durch Spannungs- und Frequenzskalierung gesteuert wird, wie von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
  • 3 eine Blockdarstellung zur Veranschaulichung einer Energiesteuerschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt, die in einem Standardcomputersystem mit einer Eingabe/Ausgabe(„I/O")-Steuereinrichtung, einer Takterzeugungsschaltung und einer Energieversorgungsschaltung eingesetzt wird.
  • 4 eine Blockdarstellung zur Veranschaulichung einer Mehrzahl von Registern zeigt, die in der I/O-Steuereinrichtung zum Speichern von Informationen eingesetzt werden, um die Takterzeugungsschaltung in die Lage zu versetzen, die Frequenzskalierung auszuführen, und um die Energieversorgungsschaltung in die Lage zu versetzen, die Spannungsskalierung auszuführen.
  • 5 die Operationen darstellt, die von der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, um den Energieverbrauch eines elektronischen Bauelements durch Spannungs- und Frequenzskalierung optimal zu reduzieren.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt ein System und ein Verfahren zur Steuerung des Energieverbrauchs von mindestens einem elektronischen Bauelement sowohl durch Spannungs- als auch Frequenzskalierung. Die folgende detaillierte Beschreibung wird weitgehend anhand von Kurven, Blockdarstellungen und einem Flussdiagramm präsentiert, welche zusammen die vorliegenden Erfindung im Detail darstellen, aber es werden keine bekannten Schaltungen oder Prozessschritte diskutiert, um eine unnötige Verschleierung der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Das Flussdiagramm stellt eine Abfolge von Schritten dar, die zu einem gewünschten Ergebnis führen. Diese Schritte erfordern physikalische Manipulationen physikalischer Größen in Form von elektrischen oder magnetischen Signalen, welche gespeichert, übermittelt, kombiniert, verglichen oder anderweitig manipuliert werden können.
  • Es wird auf 2a Bezug genommen; es wird eine Kurve zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen Spannung und Energie gezeigt. Wie in den nachstehenden Gleichungen 1 und 2 angegeben, die für viele elektronische Bauelemente (z.B. CMOS) Gültigkeit hat, weist die Energie theoretisch eine „Quadrat"-Gesetz-Abhängigkeit von der Spannung auf, welche wiederum ein allgemein proportionales Verhältnis zur Betriebsfrequenz aufweist.
  • Gleichung 1: Energie = C × V2 × F × Act, wobei
    „C" = Gesamtkapazität des elektronischen Bauelements;
    „V" = Gesamtspannung, die an das elektronische Bauelement bereitgestellt wird;
    „F" = Betriebsfrequenz des elektronischen Bauelements; und
    „Act" = Prozentsatz von Gates der elektronischen Bauelemente, die den Zustand für einen gegebenen Taktzyklus verändern.
  • Gleichung 2: V α F, wobei V1 ≥ V ≥ V2 und V1 die maximale Betriebsspannung ist, die von dem elektronischen Bauelement unterstützt wird, und
    V α F (k × F) , wobei V2 ≥ V ≥ V3, wobei „k" eine Konstante kleiner Eins ist,
    wenn die Spannungsskalierung außerhalb eines unten definierten Spannungsbereichs ausgeführt wird.
    Gleichung 2 ist eine linearisierte Näherung.
  • Somit führt gemäß Gleichung 1 eine Verringerung der Spannung um zehn Prozent (10%) zu einer Verringerung der Energie um neunzehn Prozent (19%), da C × (0,90 V)2 × F × Act = (0,81) × Energie.
  • Es wird jetzt auf 2b Bezug genommen; es wird eine Kurve zur Veranschaulichung der Energieeinsparung dargestellt, die von einem elektronischen Bauelement durch Ausführung von kombinierter Spannungs- und Frequenzskalierung realisiert wird. Ähnlich wie in 1 arbeitet das elektronische Bauelement innerhalb eines Spannungsbereichs 20, welcher zwischen Punkt A (minimale Betriebsspannung des elektronischen Bauelements) und Punkt B (maximale Betriebsspannung) definiert ist. Des Weiteren repräsentieren, um die Übereinstimmung mit 1 herzustellen, die Punkte C und D die Betriebsfrequenz des elektronischen Bauelements bei den Energieniveaus P1 beziehungsweise P2. Somit wird in der vorliegenden Erfindung durch Verringerung der Betriebsfrequenz und der Spannung des elektronischen Bauelements (bei Punkt C) um etwas mehr als drei Prozent (auf Punkt D) die von dem elektronischen Bauelement verbrauchte Energie um ungefähr zehn Prozent (10%) verringert, weil C × (0,966 V)2 × (0,966F) × Act = (0,901) × Energie
  • Eindeutig hat sich die Betriebsfrequenz des elektronischen Bauelements – während die realisierte Energieeinsparung im Allgemeinen gleich der durch die herkömmliche Frequenzreduzierungstechnik erreichten ist – nur um drei Prozent (3%) anstatt um zehn Prozent (10%) verringert. Es ist vorgesehen, dass die Spannungs- und Frequenzskalierung in dem Spannungsbereich 20 erfolgen kann, aber entlang einem Niederspannungsbereich 30 bis zu Punkt A kann nur die Frequenzskalierung für das elektronische Bauelement erfolgen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Spannungsskalierung in dem Niederspannungsbereich 30 das elektronische Bauelement veranlassen würde, nicht mehr zu arbeiten.
  • Es wird auf 3 Bezug genommen; es wird ein Ausführungsbeispiel einer Energiesteuerschaltung dargestellt, die in einem Computersystem eingesetzt wird, um den Energieverbrauch eines elektronischen Bauelements (z.B. eines Mikroprozessors) zu steuern. Obwohl das elektronische Bauelement als ein Mikroprozessor dargestellt wird – da er dafür bekannt ist, einer der Chips mit dem höchsten Energieverbrauch in einem Computersystem zu sein – ist die Energiesteuerschaltung in der Lage, den Energieverbrauch anderer Typen von elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise von Steuereinrichtungen, zu steuern.
  • Das Computersystem 100 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit („CPU") 110, eine Systemsteuereinrichtung 120, einen Systembus 130, eine Temperaturvergleichslogik 140, eine Eingabe/Ausgabe(„I/O")-Steuereinrichtung 150, eine Takterzeugungsschaltung 160 und eine Energieversorgungsschaltung 170. Nachdem das Computersystem eingeschaltet worden ist und der Benutzer eine Software-Anwendung aus dem Hauptspeicher, einer Massenspeichereinrichtung (z.B. eine IDE-Einrichtung) oder einem externen Plattenlaufwerk zur Ausführung einer bestimmten Aufgabe ausgewählt hat, wird die I/O-Steuereinrichtung 150 von der in der CPU 110 gespeicher ten Temperatur-Management-Software konfiguriert, um die Spannungs- und Frequenzskalierung der CPU 110 zu ermöglichen, wenn mindestens einer von zwei Zuständen eintritt, und zwar: die Temperatur der CPU 110 überschreitet ein thermisches Band, oder die CPU 110 erfährt eine übermäßige Leerlaufzeit. Das „thermische Band" wird von einem absoluten Hardware-Grenzwert (welcher bei Überschreitung das sofortige Ausschalten der Einrichtung erfordert) und von programmierbaren Software-Ober- und -Untergrenzen repräsentiert. Diese Software-Grenzwerte repräsentieren thermische Grenzwerte, bei welchen bei Überschreitung „Drosselung" (d.h. abnehmende Spannungs- und Frequenzskalierung) oder „Drosselungsaufhebung" empfohlen wird.
  • Wie dargestellt, wird eine Temperaturmesskomponente (z.B. Thermistor und dergleichen) 111 mit einem Prozessorchip 112 der CPU 110 gekoppelt, um die Temperatur des Prozessorchips 112 durch Wärmeableitungsergebnisse zu überwachen und festzustellen, wann die Temperatur das thermische Band überschritten hat. Danach übermittelt die Temperaturmesskomponente 111 über eine Steuerleitung 113 ein analoges Signal an die Temperaturvergleichslogik 140. Die Temperaturvergleichslogik 140 empfängt das analoge Signal und wandelt es in ein digitales Signal um, welches über eine Temperatursteuerleitung 141 in die I/O-Steuereinrichtung 150 eingegeben wird. Wenn dieses digitale Signal angelegt wird, zeigt es der I/O-Steuereinrichtung 150 an, dass die CPU 110 bei einer Temperatur außerhalb ihres thermischen Bandes arbeitet. Im Ergebnis dessen muss die I/O-Steuereinrichtung 150 eine Operation ausführen, um die Temperatur des Prozessorchips 112 in der CPU 110 zu reduzieren.
  • Um die Temperatur des Prozessorchips 112 zu reduzieren, programmiert die I/O-Steuereinrichtung 150 ein Register 164 in der Takterzeugungsschaltung 160, indem benutzerkonfigurierte, programmierbare Informationen, die in der I/O-Steuereinrichtung 150 gespeichert sind, über Steuerleitung 151 in das Register 164 geleitet werden. Die programmierten Informationen zeigen an, um wieviel (normalerweise in einem Prozentwert) die Betriebsfrequenz des Taktsignals, das von der Takterzeugungsschaltung 160 über Steuerleitungen 161 zumindest an die CPU 110 bereitgestellt wird, zu ändern ist. Bei einigen CPU-Implementierungen, wie dargestellt, muss das von Systembus 130 verwendete Taktsignal in einem festen Verhältnis zu der Taktsignaleingabe in die CPU 110 (d.h. CPU-Takt) stehen. Im Ergebnis dessen werden die Taktsignale der Systemsteuereinrichtung 120 und des Systembusses 130 im Verhältnis zum CPU-Takt reduziert. Die Takterzeugungsschaltung 160 überwacht den Wert des Registers 164 und modifiziert entsprechend die Frequenz der Taktsignale, die über Taktleitungen 161–163 übermittelt werden.
  • Nachdem bestimmt wurde, dass die Betriebsfrequenz durch eine beliebige bekannte Technik (z.B. Signalgabe, festgelegte Verzögerungszeit etc.) reduziert worden ist, erzeugt die I/O-Steuereinrichtung 150 über die Steuerleitung 152 ein Spannungsmodifizierungssteuersignal für die Energieversorgungsschaltung 170. Die Energieversorgungsschaltung 170 enthält einen Schaltungsregler 171 und einen programmierbaren Regler 172. Obwohl nicht dargestellt, enthält die Energieversorgungsschaltung 170 eine Erfassungsschaltung, um der I/O-Steuereinrichtung 150 anzuzeigen, ob Energie für das Computersystem 100 aus eine Wandsteckdose oder aus einer Batteriequelle bereitgestellt wird. Der programmierbare Regler 172 empfängt das Spannungsmodifizierungssteuersignal von der I/O-Steuereinrichtung 150, welches anzeigt, dass der Betrag der CPU-Kernspannung, der von dem programmierbaren Regler 172 über die Netzleitung 173 an den Prozessorchip 112 übermittelt wird, reduziert ist. Der Schaltungsregler 171 wird jedoch von dem Spannungsmodifizierungssteuersignal nicht beeinflusst und stellt weiterhin Energie (3,3 V, 5 V, 12 V etc.) an die Energie- bzw. Stromversorgungsebenen des Computersystems 100 bereit.
  • Somit erfährt die CPU 110, um den Energieverbrauch der CPU 110 ohne unangemessenen Geschwindigkeitsverlust optimal zu verringern, zuerst eine Frequenzreduzierung und dann eine Spannungsreduzierung. Diese Reihenfolge der Skalierung garantiert, dass die CPU 110 keinen Ausfall erleidet. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Drosselungsaufhebung für die CPU (d.h. Erhöhung ihrer Spannung und Frequenz) erfordert, dass die CPU-Kernspannung entsprechend erhöht wird, bevor die Betriebsfrequenz erhöht wird.
  • Der zweite Zustand, d.h. die CPU erfährt übermäßige „Leerlauf"-Zeit, tritt üblicherweise auf, wenn auf dem Computersystem 100 eine Software-Anwendung läuft, die keine optimale Leistung der CPU 110 verlangt, wie beispielsweise verschiedene Altsoftware-Anwendungen, Textverarbeitungsprogramme etc. Somit kann der Energieverbrauch optimal reduziert werden, indem der Betrag der Leerlaufzeit überwacht wird, die die CPU 110 erfährt.
  • Es ist in der Technik bekannt, dass Energie-Management-Software, wie beispielsweise die Software „Advanced Power Management" („APM"), welche im Hauptspeicher des Computersystems gespeichert ist und für den Benutzer transparent arbeitet, überwacht, ob sich die CPU 110 im Leerlauf befindet oder nützliche Berechnungen ausführt. Wenn sich die CPU 110 im Leerlauf befindet, erzeugt bei einer Implementierung die Energie-Management-Software einen STOPP-Befehl und veranlasst die CPU 110 einen Stopp-Bestätigungszyklus zu erzeugen. Der Stopp-Bestätigungszyklus wird über die Systemsteuereinrichtung 120 auf den Systembus 130 geleitet. Wenn erfasst wird, dass die CPU 110 einen Stopp-Bestätigungszyklus erzeugt, setzt die I/O-Steuereinrichtung 150 ihr Stopp-Zyklus-Erfassungs(„HCD – halt cycle detect")-Speicherelement, wie in 4 gezeigt. Danach tastet die Energie-Management-Software das HCD-Speicherelement periodisch ab und für den Fall, dass das HCD-Speicherelement häufig (z.B. mindestens ungefähr fünf bis zehn Prozent 5% – 10% seiner Lauf zeit) gesetzt wird, wird das Computersystem gedrosselt, um eine Spannungs- und Frequenzskalierung auszuführen. In einem solchen Fall führt die I/O-Steuereinrichtung 150 die Spannungs- und Frequenzskalierungsoperationen auf dieselbe Weise aus, wie sie oben im Hinblick auf den ersten Zustand diskutiert wurde.
  • Einige Implementierungen erzeugen keinen Stopp-Befehl, sondern sparen stattdessen Energie mit anderen Mitteln ein (z.B. Frequenzskalierung). In einem solchen Fall wird das HCD-Speicherelement 155 erkennbar modifiziert, um derartige andere Mittel zu erfassen.
  • Es wird nun auf 4 Bezug genommen; es wird ein Ausführungsbeispiel der I/O-Steuereinrichtung 150 gezeigt. Die I/O-Steuereinrichtung 150 enthält das HCD-Speicherelement 155, ein Taktgeschwindigkeits(„CS")-Speicherelement 156 und ein CPU-Kernspannungs(„CV")-Speicherelement 157. Das HCD-Speicherelement 155 ist vorzugsweise ein Einzelbit-Register, das dynamisch anzeigt, wie oft sich die CPU im Normal- oder im Leerlauf zustand befindet. Genauer gesagt, wird das HCD-Speicherelement 155 gesetzt, wenn sich die CPU im Leerlauf befindet, und es wird zurückgesetzt, wenn sich die CPU in ihrem normalen Betriebszustand befindet. Somit fordert die Energie-Management-Software von der I/O-Steuereinrichtung 150 die Ausführung einer Spannungs- und Frequenzskalierung, wenn das HCD-Speicherelement 155 häufig gesetzt wird, und die Rückkehr der CPU zu ihrer maximalen Betriebsfrequenz und entsprechenden Spannung, wenn das HCD-Speicherelement 155 häufig zurückgesetzt wird.
  • Das CS-Speicherelement 156 ist als ein „n"-Bit-Register konfiguriert (wobei „n" eine beliebige ganze Zahl ist), das eine Frequenznachführkonstante enthält, welche verwendet wird, um die Frequenz der CPU zu drosseln. Dies wird ausgeführt, indem die Frequenznachführkonstante aus dem CS-Speicherelement 156 in das Register 164 der Takterzeugungsschaltung übermittelt wird. Ähnlich ist das CV-Speicherelement 157 konfiguriert, dass es eine Spannungsnachführkonstante enthält, welche verwendet wird, um die CPU-Kernspannung inkrementell zu drosseln, die von der Energieversorgungsschaltung bereitgestellt wird. Die Spannungsnachführkonstante wird in den programmierbaren Regler der Energieversorgungsschaltung übermittelt, wie in 3 gezeigt.
  • Es wird nun auf 5 Bezug genommen; es wird ein veranschaulichendes Flussdiagramm gezeigt, das die Operationsschritte der vorliegenden Erfindung darstellt. In Schritt 200 wird die Temperatur des elektronischen Bauelements überwacht, um festzustellen, ob sie das thermische Band überschritten hat. Wenn die vorher festgelegte Temperaturschwelle überschritten worden ist, wird das elektronische Bauelement sowohl der Spannungs- als auch der Frequenzskalierung unterzogen, um seinen Energieverbrauch zu reduzieren (Schritt 225), oder wenn das festgelegte untere thermische Band unterschritten worden ist, ist das Element in der Lage, bei einer höheren Spannung und Frequenz zu arbeiten. wenn das elektronische Bauelement sein thermisches Band nicht überschritten hat, wird eine Feststellung getroffen, ob das elektronische Bauelement Wechselstrom(„AC")-Energie aus einer herkömmlichen Wandsteckdose oder Gleichstrom(„DC")-Energie über eine Batteriestromversorgung erhält (Schritt 205). Wenn das elektronische Bauelement Energie aus einer herkömmlichen Wandsteckdose erhält, wird keine Spannungs- und Frequenzskalierung an dem elektronischen Bauelement ausgeführt, wie in Schritt 230 gezeigt – vorausgesetzt es wird nicht der Zustand gemäß Schritt 200 erfüllt.
  • Alternativ ist, wenn das elektronische Bauelement Energie über eine Batteriestromversorgung erhält, eine Feststellung erforderlich, ob der Benutzer wenigstens einen der zwei Energiesparmodi aktiviert hat, um den Energieverbrauch des elektronischen Bauelements zu reduzieren. Der erste zu überprüfende Energiemodus ist der, ob sich das Hardware-Produkt im „De-Turbo-Modus" befindet (Schritt 210). Im De-Turbo-Mo dus stellt der Benutzer selektiv (bei der Benutzereinstellung) eine gewünschte Betriebsfrequenz des elektronischen Bauelements ein, die geringer als die maximale Betriebsfrequenz ist. Dies kann bei Laptop-Computern ausgeführt werden, indem man einen am Computer befindlichen Schalter drückt. Wenn das Hardware-Produkt, welches das elektronische Bauelement verwendet, sich im De-Turbo-Modus befindet, werden Spannung und Frequenz des elektronischen Bauelements gemäß der Konfiguration entsprechend skaliert (Schritt 225).
  • Wenn jedoch das Hardware-Produkt nicht so konfiguriert ist, dass es den De-Turbo-Modus unterstützt, wird eine zweite Feststellung getroffen, ob der Benutzer einen zweiten Energiesparmodus aktiviert hat, welcher als „Nichtlinearer Bedarfsdrosselungs"(„DNLT – Demand Non-Linear Throttling")-Modus bezeichnet wird (Schritt 215). Falls dieser Modus vom Benutzer aktiviert wird, verändert die Software basierend auf der Dauer der Leerlaufzeit, die das elektronische Bauelement erfährt, transparent die Spannung und Frequenz des elektronischen Bauelements (Schritt 225) – vorausgesetzt, die Zustände, die Schritten 200 und 210 zugeordnet sind, zeigen nicht das Gegenteil an. Wenn der DNTL-Modus deaktiviert ist, wird keine Spannungs- und Frequenzskalierung ausgeführt. Wenn andererseits der DNTL-Modus aktiviert ist und das elektronische Bauelement häufig Leerlaufzeiten erfährt, wodurch angezeigt wird, dass das Element bis zu seiner vollen Leistungsfähigkeit verwendet wird, wird eine Spannungs- und Frequenzskalierung an dem elektronischen Bauelement ausgeführt, bis es bei seiner maximalen Leistungsfähigkeit arbeitet (Schritte 220, 225). Für den Fall, dass der DNTL-Modus aktiviert ist und das elektronische Bauelement bei seiner vollen Leistungsfähigkeit arbeitet, wird keine Spannungs- und Frequenzskalierung an dem elektronischen Bauelement ausgeführt (Schritte 220, 230). Dieser Prozess wird fortgesetzt, um das elektronische Bauelement zu überwachen, um seine Leistung zu optimieren und insbesondere seinen Energieverbrauch zu reduzieren.
  • Die vorliegende Erfindung, die hierin beschrieben wurde, kann – wie es für einen Fachmann erkennbar ist – in vielen verschiedenen Ausführungsbeispielen außer den beschriebenen ausgeführt werden, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung sollte daher anhand der folgenden Ansprüche bewertet werden.

Claims (10)

  1. Eine Spannungsversorgungssteuerschaltung (100), die zur Verwendung durch ein elektronisches Bauelement (110) ausgebildet ist, aufweisend: eine Takterzeugungsschaltung (160) zum Liefern eines Taktsignals, das eine skalierbare Frequenz aufweist, wobei das Taktsignal eine Betriebsfrequenz dem elektronischen Bauelement (110) zur Verfügung stellt; eine Spannungsversorgungsschaltung (170) zum Bereitstellen eines Spannungsversorgungssignals, das eine skalierbare Spannung aufweist; eine Temperaturerfassungsschaltung (111, 140, 141) zum Überwachen einer Temperatur des elektronischen Bauelements (110) und zum Ausgeben eines Steuersignals bei Erfassen, daß die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements (110) ein oberes Temperaturniveau überschritten hat; und eine mit der Takterzeugungsschaltung (160) und der Spannungsversorgungsschaltung (170) gekoppelte Steuereinrichtung (150), wobei die Steuereinrichtung (150) Mittel aufweist, um zu bestimmen, ob das elektronische Bauelement (110) mit einer Batteriequelle oder einem Netzanschluß gekoppelt ist, zu bestimmen, ob das elektronische Bauelement (110) zumindest einen vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit im Vergleich zu einer Laufzeit des elektronischen Bauelements (110) erfährt, sofern das elektronische Bauelement (110) mit der Batteriequelle gekoppelt ist, eine erste Betriebsfrequenz des dem elektronischen Bauelement (110) gelieferten Taktsignals zu reduzieren, wenn entweder (i) das elektronische Bauelement (110) wenigstens den vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt oder (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements (110) das obere Temperaturniveau überschritten hat, eine dem elektronischen Bauelement (110) nach der Reduktion der ersten Betriebsfrequenz gelieferte erste Spannung zu reduzieren, wenn (i) das elektronische Bauelement (110) zumindest den vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt oder (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements das obere Temperaturniveau überschritten hat; die erste Betriebsfrequenz und die erste Spannung, die dem elektronischen Bauelement (110) geliefert werden, aufrechtzuerhalten, wenn das elektronische Bauelement (110) weniger als den vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt und die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements (110) das obere Temperaturniveau nicht überschreitet, und das elektronische Bauelement (110) bei der ersten Betriebsfrequenz und der ersten Spannung zu betreiben, wenn. das elektronische Bauelement (110) mit dem Netzanschluß gekoppelt ist und die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements (110) das obere Temperaturniveau nicht überschreitet.
  2. Ein Verfahren zum Steuern des Leistungsverbrauchs durch ein elektronisches Bauelement, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Bestimmen, ob das elektronische Bauelement mit einer Batteriequelle oder einem Netzanschluß gekoppelt ist; Bestimmen, ob eine Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements ein oberes Temperaturniveau überschritten hat; Bestimmen, ob das elektronische Bauelement wenigstens einen vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit im Vergleich zu einer Laufzeit des elektronischen Bauelements erfährt, wenn das elektronische Bauelement mit der Batteriequelle gekoppelt ist; Reduzieren einer ersten Betriebsfrequenz eines dem elektronischen Bauelement gelieferten Taktsignals, wenn entweder (i) das elektronische Bauelement zumindest den vorge gebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt oder (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements das obere Temperaturniveau überschritten hat; Reduzieren einer dem elektronischen Bauelement gelieferten ersten Spannung nach dem Reduzieren der ersten Betriebsfrequenz, wenn (i) das elektronische Bauelement zumindest den vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt oder (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements das obere Temperaturniveau überschritten hat; Aufrechterhalten der ersten Betriebsfrequenz und der ersten Spannung, die an das elektronische Bauelement geliefert werden, wenn das elektronische Bauelement weniger als den vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt und die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements das obere Temperaturniveau nicht überschreitet; und Betreiben des elektronischen Bauelements bei der ersten Betriebsfrequenz und der ersten Spannung, wenn das elektronische Bauelement mit dem Netzanschluß gekoppelt ist und die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements das obere Temperaturniveau nicht überschreitet.
  3. Die Spannungsversorgungssteuerschaltung (100) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein erstes Speicherelement (156) zum Speichern eines Frequenzskalierungskoeffizienten, wobei der Frequenzskalierungskoeffizient von der Steuereinrichtung (150) verwendet wird, um die Einstellung der skalierbaren Frequenz des Taktsignals zu regeln; und ein zweites Speicherelement (157) zum Speichern eines Spannungsskalierungskoeffizienten, wobei der Spannungsskalierungskoeffizient von der Steuereinrichtung (150) verwendet wird, um die Einstellung der skalierbaren Spannung des Spannungsversorgungssignals zu regeln.
  4. Die Spannungsversorgungssteuerschaltung (100) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (110) ferner Mittel aufweist, um die Takterzeugungsschaltung (160) zu veranlassen, die erste Betriebsfrequenz des skalierbaren Taktsignals um einen von dem Frequenzskalierungskoeffizienten dargestellten Prozentsatz zu reduzieren.
  5. Die Spannungsversorgungssteuerschaltung (100) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (110) ferner Mittel aufweist, um die Spannungsversorgungsschaltung (170) zu veranlassen, die über das Spannungsversorgungssignal zur Verfügung gestellte erste Spannung um einen durch den Spannungsskalierungskoeffizienten dargestellten Prozentsatz zu reduzieren.
  6. Die Spannungsversorgungssteuerschaltung (100) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung ferner Mittel aufweist, um die Frequenz des Taktsignals zu erhöhen, wenn (i) das elektronische Bauelement (110) weniger als einen vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt und (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements (110) das obere Temperaturniveau nicht überschreitet; und die an das elektronische Bauelement gelieferte Spannung vor dem Erhöhen der Frequenz des skalierbaren Taktsignals zu erhöhen, wenn (i) das elektronische Bauelement (110) weniger als einen vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt und (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements (110) das obere Temperaturniveau nicht überschreitet.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend die Schritte: Speichern eines Frequenzskalierungskoeffizienten, wobei der Frequenzskalierungskoeffizient verwendet wird, um die Einstellung der Betriebsfrequenz des Taktsignals zu regeln; und Speichern eines Spannungsskalierungskoeffizienten, wobei der Spannungsskalierungskoeffizient verwendet wird, um die Einstellung der an das elektronische Bauelement gelieferten Spannung zu regeln.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Einstellens der Betriebsfrequenz des Taktsignals darin besteht, es um einen Prozentsatz zu reduzieren, der von dem Frequenzskalierungskoeffizienten dargestellt wird.
  9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Einstellens der an das elektronische Bauelement gelieferten Spannung darin besteht, sie um einen Prozentsatz zu reduzieren, der von dem Spannungsskalierungskoeffizienten dargestellt wird.
  10. Das Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend die Schritte: Erhöhen der Betriebsfrequenz des Taktsignals, wenn (i) das elektronische Bauelement weniger als einen vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt und (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements nicht das obere Temperaturniveau überschreitet; und Erhöhen der dem elektronischen Bauelement gelieferten Spannung vor dem Erhöhen der Frequenz des Taktsignals, wenn (i) das elektronische Bauelement weniger als einen vorgegebenen Prozentsatz Leerlaufzeit erfährt und (ii) die Betriebstemperatur des elektronischen Bauelements das obere Temperaturniveau nicht überschreitet.
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