[发明专利]根据工作温度的变化来动态改变功耗的微处理器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及微型计算机中功耗与性能的相互影响问题，尤其是可根据微型计算机的工作温度变化来减少功耗和提高性能。

背景技术

对移动PC、笔记本计算机、台式机和工作站等不同类型的计算机系统来说，功耗的管理都是非常的重要的问题。比如，对大部分的笔记本计算机用户来说，电池的寿命问题至关重要。而据报道，在很多数据中心，运行服务器所需要消耗的能源比购买服务器本身更加昂贵。因此，才会有对“绿色“计算机的需求。在计算机系统中，大部分的功耗是被微处理器消耗的。所以，减少计算机系统功耗的关键在于减少微处理器的功耗。

在已有的微处理器设计中，微处理器的性能，比方说在给定时间内微处理器所能处理的指令数，主要由时钟主频来决定。许多系统对微处理器的性能有一定的要求，而且这个要求在时间上会随着系统工作状态的不同而有所变化。比如，许多现代的微处理器中的一些系统软件例如，BIOS或者操作系统具有通过调整微处理器的工作频率来动态的调整其性能指标的能力。

微处理器的动态功耗是与时钟主频和与工作电压的平方成正比的。然而，对大部分的现代微处理器来说，在每一个工作频率下，都有一个相对应的工作电压最小值，当电压小于这个幅值时，微处理器将不能正常工作。因此，我们需要通过降低一定性能或是一定频率下的工作电压来降低微处理器的功耗。

此外，用户对处理器的性能是有一定要求的。而由上面的讨论可知，在其它参数相同的情况下，微处理器工作的频率越高，其性能越好。因此，一个很常用的提高微处理器性能的方法是超频。在传统方法中，计算机通过增加前端总线的频率来进行超频，这使得微处理器和其它连接到前端总线的电路工作在一个较高的时钟频率下。超频本身也是有一些缺点的。首先，系统超频总是要求计算机制造商要提高标准制冷系统的性能或者用具有更高制冷能力的制冷系统来替代原来的标准制冷系统，比如采用转速更高的风扇，更多的散热片，液态冷却液，相变制冷甚至是液氮制冷。第二，超频可能导致微处理器运行的不稳定，潜在的影响是数据的丢失或者损坏，以及对微处理器甚至是整个系统的损害。这时因为超频一般是超过了制造商的产品规格的，制造商可能并没有测试在超频频率下微处理器的运行状况，因此不能保证在此频率下微处理器能正常工作。第三，在将前端总线超频时，其余的设备可能也与前端总线相连，比方说内存，芯片组，显卡等，这些设备也可能会工作在一个较高的频率下，这也就存在了上文中提到的需要附加的制冷系统和性能不稳定的问题。因此，需要找到一个改进的方法，可以在增加微处理器频率的同时避免传统的超频所带来的问题。

此外，如前文所述，一些微处理器为一些系统软件例如，BIOS或者操作系统提供了改变微处理器的工作频率的能力。例如，在高级配置和电源接口(Advanced Configuration and PowerInterface，ACPI)规范3.0版本中，依照CPU的工作主频规定了P状态，并且为系统软件提供了一种使微处理器转换到指定的P状态的方法。在频率增加的情况下，根据微处理器的物理特性，微处理器必须通过增加其工作电压来适应频率的增加。完成电压转换所需要的时间可能会很长，这取决于所需增加的电压的幅度。如图4和前文所述，传统的微处理器增加电压到预定要求并且简单地将频率从现有频率值增加到所要求达到的频率值。根据传统的从现在的P状态转换到新的P状态的方法，微处理器在整个P状态转换期间工作在一个较低的频率，此时性能比较差。因此，需要找到一种改进方法来提高在P状态转换期间微处理器的性能。

最后，一些微处理器包含热监控和保护装置。例如，如图1所示，不同的Intel的处理器都具有增强节电功能，其包含了热监控(Thermal Monitor 2，TM2)自动热保护装置。TM2被应用于Pentium M的处理器，也被包含进了Pentium 4家族的新模型中。英特尔的Pentium 4处理器具有2MB的二级缓存和533MHZ的前端数据总线，其2005年7月的芯片手册中写道：“当内建感测器监测到核心温度过高时，微处理器能够根据软件可编程的特别模块寄存器(Model Specific Registers，MSR)自动地转换到一个较低频率或是较低电压。等待一段固定的时间后，如果核心温度降低到可接受值，微处理器的频率或者电压将被提高到原来的幅值。”图11为此操作的例图。