[发明专利]具有数字功率调节的微处理器

说明书

本申请是申请日为2000年11月21日，申请号为00818992.7， 发明名称为“具有数字功率调节的微处理器”的中国专利申请的分案 申请。

技术领域

本发明涉及微处理器，而且尤其涉及用于控制在微处理器中的功 耗的机制。

背景技术

现代的处理器包含广大的执行资源以支持多条指令的并行处理。 处理器一般包含一个或多个整数、浮点、转移和存储器执行单元以分 别实现整数、浮点、转移和加载/存储指令。此外，整数和浮点单元 一般包含寄存器堆以相对接近于该处理器核心保持数据。向处理器提 供广大的执行资源的一个缺点是要求有大量的功率来运行它们。取决 于执行单元的大小和它们实现的功能，不同的执行单元可以消耗或多 或少的功率，但是把这么多逻辑封装到一个相对小的处理芯片上的实 际结果是将产生重要功率耗散问题的可能性。

几乎没有程序需要一个处理器的执行资源的全部范围持续很长 的时间间隔。运行一个程序耗散的功率取决于它的组件指令的属性和 它们被并行执行的可能性。程序一般包含各种指令类型，但是很少有 足够多的正确类型的指令可以用来使得处理器的全部执行资源忙碌 相当长的时间周期。为此，大多数处理器使用时钟选通机制，以便当 执行资源不被使用时切断传送到该执行资源的时钟，由此减小功率。 此外，当指令进入和退出由一个执行资源的不同组件服务的流水线阶 段时，该组件能够被开和关。因此，普通的程序可以耗散相对可管理 的功率水平。

某些程序确实将处理器的许多执行资源激活相对长的时间间隔， 因此耗散比普通程序多很多的功率。除非提供了一个机制来限制处理 器的功耗，否则处理器通常被设计以处理消耗最高功率的程序。这可 能需要以低于它的最高性能水平为所有程序运行该处理器，而与运行 普通程序所要求的功率无关。

功率调节是一个已经提出用来处理由高性能处理器产生的功耗 问题的策略。当一个处理器的功耗过高时，功率调节降低该处理器的 性能。这可以通过临时减小该处理器执行指令的速率直到功耗降低到 安全水平为止来进行。功率调节允许处理器被设计成用于普通程序运 行所用的功率水平。当运行一个资源消耗较多的程序时，处理器减小 它的指令执行速率以保持它的功耗在一个已确定的限度内。

提出的功率调节机制依赖模拟参数来监控处理器耗散的功率。例 如，一个热量调节机制监控处理器芯片的温度，并且当温度超过阈值 时减小处理器的执行速度。已经提出其它的调节方案来监控由处理器 消耗的电流或者在开关调节器中的脉冲宽度调制器的占空比。

这些功率调节机制具有许多缺点。它们将附加的模拟电路引入到 一个主要是数字的环境，即处理器中。它们易于随处理器的环境(温 度、电压、组成)中的变化而改变。它们可以在处理器的功率水平中 产生低频率的变化。它们不直接限制由该处理器消耗的功率，而且它 们不是确定性的。这就是说，不能在一个时钟接一个时钟的基础上预 测它们的行为。

本发明解决了可用功率调节机制的这些及其它不足。

发明内容

本发明提供了一种数字调节器来控制微处理器的功耗。

根据本发明，一种处理器包含一个或多个功能单元和数字调节 器。该数字调节器监控处理器的功能单元的活动状态以估计该处理器 的功耗。

根据本发明的第一方面，提供一种处理器，包含：

形成指令执行流水线的功能单元；

选通电路，控制到该功能单元的功率传送，并且提供一个指示传 送给该功能单元的功率水平的信号；

一个监控电路，把指示的功率水平与一个阈值功率水平进行比 较；以及

一个调节电路，如果指示的功率水平超过阈值功率水平，则调整 所述处理器中的指令流。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制在一个处理器中的功率 消耗的方法，包含：

收集来自于在该处理器中的选通电路的功率信号，该功率信号指 示当前传送到与选通电路相关联的多个功能单元的功率水平；

根据收集的功率信号调整估计的功率消耗水平；

将该估计的功率消耗水平与一个阈值功率消耗水平相比较；以及

当该估计的功率消耗水平超过阈值功率消耗水平时，调整处理器 的一个指令执行速率。

根据本发明的第三方面，提供了一种处理器，包含：