基於計算機平臺上嵌入系統的cpu頻率控制的方法
2023-08-13 22:07:51
專利名稱：基於計算機平臺上嵌入系統的cpu頻率控制的方法
技術領域：
本發明涉及一種基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，特別是指一種基於計算機嵌入式作業系統平臺的功能應用基礎上的CPU頻率調節，以達到節能與延長CPU壽命效果的CPU頻率調節的方法。
參見表1，儘管CPU的主頻升高，但是CPU所要求的環境溫度並沒有發生變化，CPU內核所允許的最高溫度基本沒有變化，甚至所允許的最高溫度卻有較大的下降趨勢；與此同時，這些CPU的功率卻有很大幅度的提高；顯而易見CPU的發熱量也將因此而有很大幅度的增加。CPU亦成為計算機中最大的發熱源。此時，如何解決計算機的心臟-CPU的散熱問題，保證其正常安全地工作，已經成為計算機領域中一個重要的研究方向。
表1
CPU的散熱可以有如下的多種方式利用計算機系統結構散熱，風冷散熱，液冷散熱，熱管散熱等，其原理是加速CPU熱量的散發，從而保證CPU正常安全地工作。當然，也可以通過CPU的頻率進行控制，實現其熱量的減少與能源的節約。但是，對於一般的嵌入系統而言，由於功能比較單一，CPU的頻率不是很高，這種CPU有可能是單片機，低頻的CPU等。但由於嵌入系統的架構相對簡單和協調，系統平臺與功能平臺之間相互融合，因而對於一般的嵌入系統而言CPU的利用率是一定的。
在一般計算機的應用中，對於不同的應用程式要求CPU的運行速度是不同的；事實上，高速CPU對於大部分的辦公程序而言是多餘的。因此可以降頻使用。
一般計算機的降頻有兩種方法一是直接對CPU進行操作，例如將2.0GHz的CPU當作1GHz或者更低的CPU來使用；這樣做，對整個系統其餘部分的性能並沒有降低，例如圖形加速接口(Accelerated Graphics Port，簡稱為AGP)，周邊元件擴展接口(Peripheral Component Interconnect，簡稱為PCI)的頻率沒有直接的變化；另外一種方式是直接對計算機的時鐘頻率進行調整，即調整主板上的時鐘晶片，這樣一來，由於AGP，PCI，前端總線(front side bus，簡稱為FSB)等頻率也會隨著時鐘基頻的改變而改變，所以，計算機從總體上降低了性能。
如中國專利(申請號為01103430)《計算機，計算機系統，及省電控制方法》主要設計了一種驅動程序，將一般的作業系統與基本輸入輸出系統(Basic Input Output System，簡稱BIOS)之間多階段的省電控制信號(待機信號，暫停信號，切斷信號)變換成單一的節省電力控制信號(切斷信號)，以變更節省電力控制的方法來達到節能的效果。而中國專利(申請號為97103669)《自動設置CPU參數的個人計算機》主要是利用BIOS中設計控制程序，通過對CPU參數控制邏輯電路控制從而達到控制CPU頻率的結果，其主要涉及到BIOS與主板硬體電路的設計，但其從系統總體上為用戶考慮，避免了用跳線與開關的麻煩。
參見
圖1，英特爾(INTEL)公司對市場中常用的應用軟體進行了測試，實際上，一般常用的軟體對CPU的使用率只有在50％～60％；因此INTEL對系統廠商的要求是計算機系統散熱的設計只要達到CPU的利用率為75％的情況就可以；也就是說從CPU廠家而言75％的額定頻率足夠支持常規的應用。
本發明的另一目的在於提供一種基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，將CPU根據具體的應用情況進行適當的降頻，從而延長CPU的壽命。
本發明的目的是這樣實現的一種基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，首先，獲取CPU的目標調節頻率，然後通過嵌入式作業系統與BIOS的通信實現該CPU目標調節頻率的設置。
上述獲取CPU的目標調節頻率的具體步驟為步驟1設置功能應用的平均頻率和峰值頻率；步驟2設置加權值；步驟3通過採樣獲取CPU在一設定時間內的平均頻率；步驟4採樣當前頻率值；步驟5根據上述步驟獲取的各頻率及加權值，計算CPU的目標調節頻率值。
所述的功能應用的平均頻率通過將該功能應用時的測試值進行平均計算獲得。
所述的功能應用的峰值頻率為功能應用時的測試值的峰值。
上述的步驟5計算依據如下的公式 其中，fm為CPU在一設定時間內的平均頻率；fc為當前採樣的CPU的頻率；fa為CPU的額定頻率；fp為功能應用的峰值頻率；f為CPU的目標調節頻率；A為設定的CPU頻率的利用率；λ1為CPU在一設定時間內平均頻率的加權係數；λ2為當前採樣的CPU頻率的加權係數；λ3為功能應用平均頻率的加權係數；λ4為功能應用峰值頻率的加權係數。
如上所述的CPU的目標調節頻率滿足如下公式其中，0≤f≤Mf為CPU的目標調節頻率；M為頻率設置的最大值；並且同時滿足M＝fp/A和M≤fa；fp為CPU功能應用的峰值頻率；A為設定的CPU頻率的利用率；fa為CPU的額定頻率。
通過嵌入式作業系統與BIOS的通信實現該CPU目標調節頻率的設置的具體方法為BIOS將收集到CPU頻率值，通過動態數據表單傳遞給嵌入式作業系統，該作業系統再將計算後的目標調節頻率值再通過動態數據表單傳遞給BIOS，BIOS據此對CPU頻率進行調節。
所述的動態數據表單存放在BIOS與嵌入式作業系統共享的內存空間之中，其至少包括如下信息標誌字符串、CPU當前的頻率利用率、CPU需要設置的CPU頻率、備註。
本發明綜合在嵌入系統上功能應用CPU頻率利用率、當前CPU頻率的利用率以及對後續頻率的估計，通過加權控制，在不影響功能應用程式性能的前提下，通過降低CPU的頻率，實現了CPU最低的功耗，降低了部件的噪聲；將CPU根據具體的應用情況進行適當的降頻，從而延長了CPU的壽命。
圖2為本發明的系統總體架構圖。
圖3為BIOS與CPU的頻率接口示意圖。
圖4為本發明一實施例的CPU目標調節頻率值的處理流程圖。
參見圖2、圖3，本發明主要涉及到以下幾部分
BIOS接口計算機高級電源管理(ACPI)提供了一個編程接口節能周期(Throttle Duty Cycle，簡稱throttle)接口，它在BIOS與作業系統之間架起了橋梁；通過對BIOS的接口的統一，系統廠家可以通過統一的接口對CPU頻率進行調整。當計算機上電啟動後，BIOS進行POST與初始化後將系統的控制權加給作業系統。利用BIOS與嵌入式作業系統的共享的內存空間進行數據的交互，例如將BIOS通過throttle接口收集到CPU頻率值，通過動態數據表單傳遞給嵌入式作業系統。同時嵌入式作業系統通過一定的算法，綜合出目前CPU頻率的最佳頻率值，再通過動態表單傳遞給BIOS，然後BIOS據此通過throttle接口對CPU頻率進行調節。
參見表2，動態數據表單為一數據通道，通過它可直接建立BIOS與嵌入式作業系統之間的數據交互
參見圖4，本發明的一實施例通過對嵌入作業系統下特定功能的CPU使用率的估計，再綜合計算機CPU當前使用率與今後通過一定時間內採樣的CPU使用率，以這三個值為基準，按照相應的控制方案來調節CPU實際的使用率，從而達到降頻的效果。
具體的實現方式如下，定義CPU的額定頻率值為fe，即如果CPU的工作主頻為2.0GHz，則fe＝2.0GHz；對於功能應用，可以通過對功能應用的測試得到該功能的CPU頻率峰值fp，BIOS採樣的CPU頻率當前值為fc，CPU在2秒種採樣的平均頻率為fm，功能模式下對CPU要進行設置的目標頻率值為f，常數A為額定CPU頻率的利用率。
由於計算機基於單功能模式下的功能應用的具有確定性，(例如電視功能、媒體播放功能等)，則CPU的使用頻率是一定的，通過對fa和fp的分析可以知道對於該功能模式下CPU的使用頻率fu，有如下的約束公式執行特定 功能的CPU的頻率不會超過峰值頻率fp，簡單地說fp/A的值可以作為該功能模式下的CPU的頻率設定值。但由於頻率峰值的出現概率與時間的持續性不是很長，因而直接設定fp/A的值是不經濟的，為了更好地對CPU的頻率進行設計。
設M＝fp/A，如果M≥fa則M＝fa，在該設計方案中M是頻率設置的最大值，即不管計算機在該功能模式如何使用，CPU的頻率不會超過M的值。
定義加權參數λ1，λ2，λ3，λ4，則CPU的目標調節頻率通過如下公式計算 其中，fm為CPU在一設定時間內的平均頻率；fc為當前採樣的CPU的頻率；fa為CPU的額定頻率；fp為功能應用的峰值頻率；f為CPU的目標調節頻率；
A為設定的CPU頻率的利用率；λ1為CPU在一設定時間內平均頻率的加權係數；λ2為當前採樣的CPU頻率的加權係數；λ3為功能應用平均頻率的加權係數；λ4為功能應用峰值頻率的加權係數。
通過fa，fp，fc，fm四個值來定CPU的頻率設置值f，這樣通過對功能應用CPU頻率的平均值與當前的CPU頻率及在兩秒中CPU頻率變化的值的趨勢進行參數的加權。控制的流程圖如圖4所示。
上述獲取CPU的目標調節頻率的具體步驟為步驟1設置功能應用的平均頻率和峰值頻率；步驟2設置加權值；步驟3通過採樣獲取CPU在一設定時間內的平均頻率；步驟4採樣當前頻率值；步驟5根據上述步驟獲取的各頻率及加權值，計算CPU的目標調節頻率值。
在兩秒內0.2秒為採樣周期，可以很好的反應在CPU利用率的突發性的因素，由於對於特定應用的功能CPU的突發性的變化不是很大，對於在兩秒內的CPU的頻率足以來表明CPU的狀態。通過對上述的CPU頻率調節，基本上可使CPU處於設定頻率左右進行工作，有效的利用了CPU的工作效能，而不是在一般情況下使計算機CPU多數處於空閒的狀態，而浪費能源。
最後所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於首先，獲取CPU的目標調節頻率，然後通過嵌入式作業系統與BIOS的通信實現該CPU目標調節頻率的設置。
2.根據權利要求1所述的基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於獲取CPU的目標調節頻率的具體步驟為步驟1設置功能應用的平均頻率和峰值頻率；步驟2設置加權值；步驟3通過採樣獲取CPU在一設定時間內的平均頻率；步驟4採樣當前頻率值；步驟5根據上述步驟獲取的各頻率及加權值，計算CPU的目標調節頻率值。
3.根據權利要求2所述的基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於所述的功能應用的平均頻率通過將該功能應用時的測試值進行平均計算獲得。
4.根據權利要求2所述的基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於所述的功能應用的峰值頻率為功能應用時的測試值的峰值。
5.根據權利要求2所述的基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於步驟5計算依據如下的公式 其中，fm為CPU在一設定時間內的平均頻率；fc為當前採樣的CPU的頻率；fa為CPU的額定頻率；fp為功能應用的峰值頻率；f為CPU的目標調節頻率；A為設定的CPU頻率的利用率；λ1為CPU在一設定時間內平均頻率的加權係數；λ2為當前採樣的CPU頻率的加權係數；λ3為功能應用平均頻率的加權係數；λ4為功能應用峰值頻率的加權係數。
6.根據權利要求2或5所述的基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於所述的CPU的目標調節頻率滿足如下公式0≤f≤M其中，f為CPU的目標調節頻率；M為頻率設置的最大值；並且同時滿足M＝fp/A和M≤fa；fp為CPU功能應用的峰值頻率；A為設定的CPU頻率的利用率；fa為CPU的額定頻率。
7.根據權利要求1所述的基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於通過嵌入式作業系統與BIOS的通信實現該CPU目標調節頻率的設置的具體方法為BIOS將收集到CPU頻率值，通過動態數據表單傳遞給嵌入式作業系統，該作業系統再將計算後的目標調節頻率值再通過動態數據表單傳遞給BIOS，BIOS據此對CPU頻率進行調節。
8.根據權利要求7所述的基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，其特徵在於所述的動態數據表單存放在BIOS與嵌入式作業系統共享的內存空間之中，其至少包括如下信息標誌字符串、CPU當前的頻率利用率、CPU需要設置的頻率、備註信息。
全文摘要
一種基於計算機平臺上嵌入系統的CPU頻率控制的方法，首先，獲取CPU的目標調節頻率，然後通過嵌入式作業系統與BIOS的通信實現該CPU目標調節頻率的設置，本發明綜合在嵌入系統上功能應用CPU頻率利用率、當前CPU頻率的利用率以及對後續頻率的估計，通過加權控制，在不影響功能應用程式性能的前提下，通過降低CPU的頻率，實現了CPU最低的功耗，降低了部件的噪聲；將CPU根據具體的應用情況進行適當的降頻，從而延長了CPU的壽命。
文檔編號G06F1/32GK1459692SQ02117698
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月21日 優先權日2002年5月21日
發明者胡建鋒, 柯克 申請人:聯想(北京)有限公司