[发明专利]控制流水线型处理器中的功率消耗的方法和系统

说明书

技术领域

本发明总地针对数据处理系统领域。一方面，本发明涉及流水线型处理 器系统(pipelined processor system)中的动态功率控制。

背景技术

在流水线型处理器设计中，典型地设计各个流水线级，以通过在每一级 处使从存储器(读出)的等待时间和向存储器(写入)的等待时间最小化、 并且使每一级处的带宽最大化来提供最大性能。然而，这种处理器通常被“过 度设计(over-designed)”了，因为典型的处理器使用不需要在每个时钟周期 中所有级都最大限度地运行。在处理器被设计以在任何可能的时间都最大限 度地执行的情况下，它们的操作可能导致大的功率消耗，并且实际上可能致 使对于一些指令分发(instruction distribution)的性能降低。例如，当执行具 有自然低的指令级并行性(instruction-level parallelization，ILP)的工作量时， 处理器流水线不需要以全功率/高吞吐量(throughput)模式操作，实际上，这 种操作模式由于各单元中的更高的等待时间可能对性能造成负面影响，并且 不必要地耗费功率。因此，需要一种控制流水线型处理器系统中的性能和功 率消耗的系统和方法。另外，需要一种流水线型处理器系统及设计，其提供 所需要等级的性能和吞吐量、而没有过多的功率消耗。在参照随后的附图和 详细说明来考察本申请的剩余部分后，传统的解决方案的其它限制和缺陷对 于本领域技术人员将会变得显而易见。

发明内容

根据本发明的各种实施例，提出了一种处理器设计和方法，其中当处理 器中的各个单元或者级执行给定的工作量时，可动态配置的处理器监视或检 测所述处理器中的各个单元或者级的性能。可动态配置的处理器包括一个或 多个具有高性能设计/模式以及低性能设计/模式的级。高性能设计/模式被用 来以相对高的功率消耗等级执行工作量，但是当所检测到的、执行工作量的 性能特性许可时，处理器切换以使用低性能设计/模式来以相对较低的功率消 耗等级执行工作量。通过配置处理器以从高性能设计后退到低性能设计以满 足(meet)所检测到的、执行工作量许可的性能特性，可以优化功率消耗。 在所选择的实施例中，诸如通过在所定义的时间窗口期间对级操作的数目进 行计数，来在所述时间窗口期间监视各个流水线级(例如，取出、解码、执 行、回写(write back)、完成)的吞吐量。一开始，各个流水线级使用高吞吐 量、高功率设计。然而，如果任一级的吞吐量计数指示在该级存在性能瓶颈， 则动态地重新配置处理器流水线以使用较低吞吐量、较低功率设计。

根据各种实施例，在使用这里描述的方法和/或装置的软件控制下，可以 动态地配置各个流水线级中的一个或多个流水线级，以在高吞吐量、高功率 设计以及较低吞吐量、较低功率设计之间切换，所述软件控制可以在具有包 括计算机可执行指令的计算机程序代码的数据处理系统中实现。无论何种实 现形式，都可以通过测量在高性能模式下操作的多个流水线级的吞吐量速率 来控制流水线型处理器中的功率消耗。在示例实现中，对于每个流水线级， 通过对在预定的窗口期间发生多少个级事件进行计数来测量吞吐量速率。通 过随时间推移测量吞吐量速率，诸如通过将一个或多个吞吐量速率与预定的 高性能吞吐量阈值进行比较，可以检测到速率中的任何跌落(drop-off)。在 检测到何时多个吞吐量速率中的一个或数个吞吐量速率被降低到第一预定吞 吐量速率时，将第一功率等级控制信号发送到该多个流水线级。在各种实施 例中，可以将功率控制信号作为1-位功率等级控制信号广播到所有流水线级， 或者将该功率控制信号作为单独的功率等级控制信号发送到每个流水线级。 如果该级具有以各种吞吐量和功率速率操作的多个等级，则可以实现多个功 率等级控制信号以在各操作等级之间进行选择。响应于第一功率等级控制信 号，每个流水线级被重新配置来在低性能模式下操作，从而降低该多个流水 线级的功率消耗。可以通过响应于第一功率等级控制信号而在每一级处选择 第一低功率电路，来实现重新配置为低性能模式。为了返回高性能模式，监 视现在在低性能模式下操作的多个流水线级的吞吐量速率，以在时钟周期窗 口中检测何时吞吐量速率达到或超出第二预定阈值速率，在该时刻将第二功 率等级控制信号发送到各流水线级，使得每个流水线级被重新配置为在高性 能模式下操作。

附图说明