[发明专利]基于流水线轮动的低峰值功耗嵌入式处理器

说明书

技术领域

本发明涉及嵌入式处理器领域，尤其是一种基于流水线轮动从而降低处理器运行时峰值功耗的嵌入式处理器。

背景技术

嵌入式处理器的应用领域中，功耗是设计的最重要指标之一。特别是移动终端应用，由于近几年电池技术没有突破性发展，因此该领域对处理器功耗的要求更加苛刻。嵌入式处理器的低功耗设计主要针对平均功耗和峰值功耗两类。

平均功耗指处理器在单位时间内的工作功耗，可以通过处理器完成特定工作对应产生的总功耗除以工作时间获得。平均功耗主要影响设备电池的使用时间，通常只会对产品使用体验产生影响。

峰值功耗指处理器工作时能达到的最大功耗，即处理器在完成特定工作的整个过程中功耗最大的点。非接触式智能卡应用上，过大的峰值功耗会导致原有电子发射级别不够进而导致卡片操作错误。因此对峰值功耗的控制成为嵌入式处理器必须解决的问题。

另一方面，随着用户对性能要求的不断提高，嵌入式处理器的流水线深度不断加深，流水线上以及各级流水线之间的逻辑资源也不断增加，当处理器各级流水线同时工作时，容易产生功耗尖峰，即出现峰值功耗过大的情况。

发明内容

为了克服现有嵌入式处理器在运行时容易产生峰值功耗过大、不能适用于对峰值功耗敏感领域的不足，本发明提供一种在现有流水线架构下通过监测流水线工作状态有效将峰值功耗控制在较低范围内、适用于对峰值功耗敏感领域的基于流水线轮动的低峰值功耗嵌入式处理器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于流水线轮动的低峰值功耗嵌入式处理器，所述处理器包括：

N级流水线，N为自然数，N>1，指令从前级流水线流向后级流水线，完成指令的完整功能；

流水线分类单元，将各级流水线分为M类，M为自然数，N≥M>1，为每一类设置对应的功耗权重，不同类之间功耗权重互不相同，并将流水线分类信息以及功耗权重信息输出到流水线轮动控制单元；

流水线监测单元，实时监测各级流水线的工作状态，将各级流水线是否正在工作中的状态信息输出到流水线轮动控制单元；

流水线轮动控制单元，连接于流水线分组单元以及流水线监测单元的输出端，根据输入的流水线分类信息、功耗权重信息以及流水线工作状态信息，对各级流水线是否需要关闭进行仲裁，进而对需要关闭运行的流水线进行有优先级的阻塞，使得同时运行的流水线数量控制在设定范围内以满足峰值功耗要求。

进一步，所述流水线轮动控制单元中，用户通过流水线轮动控制单元设置处理器工作时允许的最大功耗权重，该权重定义为峰值功耗权重；实时统计处于工作状态的各级流水线功耗权重之和，该权重之和定义为实时功耗权重；

依照从后向前的顺序，依次将处于工作状态的流水线的功耗权重累加到实时功耗权重中，若在判定第f级流水线时发现实时功耗权重大于峰值功耗权重，f为自然数且1＜f≤N)则停止判定工作，无条件阻塞f级流水线以及f级之前的所有流水线；若在判定第f级流水线时发现实时功耗权重小于或等于峰值功耗权重，则继续判定第f-1级流水线；第f-1级流水线的判定方式与第f级相同。

更进一步，所述流水线分类单元中，使用固定的分类方式将所有流水线分成M类，并为各类分配固定的功耗权重。

或者是：所述流水线分类单元中，通过用户配置的方式，在处理器运行过程中动态修改流水线的分类信息以及功耗权重信息。

各级流水线中，若j＞k，j和k均为自然数，1＜j≤M，1＜k≤M，则第j类流水线的功耗权重大于第k类流水线的功耗权重。

所述流水线监测单元中，监测各级流水线是否处于工作状态，对于第1级流水线，在某个时钟周期中，若处理器发起取指请求，则该级流水线判定为工作中；对于第i级流水线，i为自然数，且2≤i≤N，在某个时钟周期中，若第i-1级流水线中存在有效指令，且该有效指令可以被发送到第i级流水线，则该第i级流水线判定为工作中。

所述峰值功耗权重需大于任何一类流水线的功耗权重。

所述流水线轮动控制单元中，当实时功耗权重大于峰值功耗权重时，阻塞仲裁后需要关闭的流水线以保证实时功耗小于峰值功耗权重。

所述流水线轮动控制单元中，对第1级流水线的阻塞通过阻止处理器发送取指请求完成；流水线轮动控制单元对第e级流水线的阻通阻塞过阻止第e-1级流水线向第e级流水线发送指令完成，e为自然数且2≤e≤N-1；最后一级，即第N级流水线永远不会被阻塞。