专利名称：增强处理器的性能的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及优化微处理器芯片的处理速度的装置与方法。
相关技术描述众所周知的处理器芯片的性能测定便是处理器芯片的操作频率。在较高时钟频率上操作的处理器芯片能比在较低时钟频率上操作的相同的处理器芯片在较短时间内处理更多的信息。从而，希望在最大时钟频率上运行处理器芯片，在此频率上特定的处理器芯片能够操作而不会由于处理器的内部延时、热破坏导致处理器不正确操作或由于热引发的自动断路引起的性能降低。
在许多情况中，实现在计算机系统内的处理器芯片在明显地低于该处理器能承受而不出现上述故障或保护性停机的最大操作频率的时钟频率上操作。这可能由多种原因造成。例如，由于处理器芯片通常分成两种或三种处理速度(诸如66MHz、100MHz等)，将实际上能在比标准时钟速率高的时钟速率上运行的许多处理器芯片简单地设定在较低的时钟速率上，以便与给定的计算机的时钟速率类别一致。此外，有时处理器芯片制造商生产能在或超过一种处理速度级(诸如100MHz)操作的过量芯片，但为了配合市场计划，制造商将人为地在较低速度级上销售处理器，保持低速度直到市场压力需求较高速度级。最后，有时处理芯片只在低电压条件下测试。正如本技术中众所周知的，当将较高的电源电压作用在微处理器芯片上时，这通常起到提高处理芯片能在其上操作的最大时钟速率的作用。这是因为较高的电压导致整个处理器电路的电容性延时减小。然而由于热考虑、电源要求及最终电压引发的半导体破坏，在许多处理芯片上通常保持低的电源电压。从而由于进行测试的环境，而有时将能在高得多的时钟速率上运行的某些处理芯片分类到较低时钟速率类别中。
一种已知的增强处理器性能的方法是禁止主板时钟并加上较高频率的时钟源。然而，这种实现通常要求主板上的所有系统部件(诸如存储器、主板总线、输入/输出单元等)都在提高的时钟速率上操作。因此，如果系统部件之一不能在较高的时钟速率上操作，便不能利用这一实施例来改进性能。
从而，为了优化单个处理芯片的性能，如果售后制造商或单个PC拥有者能实现增强处理器芯片的时钟速率性能的装置与方法，将是所希望的。
发明概述一种增强计算机系统中的可变频率处理器芯片的性能的方法，其中该处理器芯片具有规定的最大电压电平并且是由数控电源供电的，该方法包括下述步骤应用数字电源控制值将电源电压设定在规定的最大电压电平上；在处理器芯片上施加第一数字值将处理器芯片工作的时钟速率设定在初始频率上；当将处理器芯片设定在该频率上时判定计算机系统是否正常操作；以及，当将处理器芯片设定在初始频率上时如果计算机系统操作不正常，便在处理器芯片上应用不同的数字值来降低时钟速率，直到找到处理芯片正常操作的最大时钟速率为止。如果在将处理器芯片设定在初始频率上时计算机系统操作正常，便施加数字值来提高时钟速率，直到找到计算机系统正常操作的最大时钟速率。
在一个较佳实施例中，利用逐次逼近来提高或降低时钟速率。
在另一较佳实施例中，该方法还包括下述步骤，监视处理器芯片的温度并在温度超过阈值时产生中断来降低处理器的操作频率，直到处理器温度回到安全值时再允许处理器在其原来的时钟速度上运行。
在一个特别好的实施例中，该方法包括提高处理器的冷却。在一种实现中，可利用风扇或散热器来提高处理器的冷却。
另一方面，本发明的较佳实施例为增强可变频率处理器芯片的性能的方法，其中该处理器芯片是用数控电源电压供电的。该方法包括下述步骤在电源上作用一个数字电源控制值将电源电压设定在处理器芯片的操作范围内的一个电压电平上；在处理器芯片上作用第一数字频率控制值将处理器芯片工作的时钟速率设定在初始频率上；判定处理器芯片在初始频率上是否正常操作；以及结合电源电压在处理器芯片上应用不同的数字频率控制值来控制时钟速率，以确定处理器芯片正常操作的最大时钟速率。
在一个较佳实施例中，利用逐步逼近来提高或降低时钟速率。
在另一较佳实施例中，该方法还包括下述步骤，监视处理器芯片的温度并在温度超过阈值时产生一个中断来降低处理器的操作频率，直到处理器温度回到安全值时，才允许处理器在其原来的时钟速率上运行。
在又另一较佳实施例中，该方法包括增加处理器的冷却。在一个特别好的实施例中，利用散热器或风扇来提供增加的处理器冷却。
附图简述
图1为结合处理器性能增强发明的计算机系统的高度简化的方框图。
图2为展示图1中所描绘的计算机系统的频率转换器部分的一种实现的方框图。
图3为例示按照本发明提高处理器性能的一般方法的流程图。
本发明的详细描述图1为按照本发明的教导构造的计算机系统100的高度简化的方框图。熟悉本技术的人员将理解计算机系统100通常包含为了清楚地例示本发明而在图1中未示出的附加电路。计算机系统100包含诸如由可从INTEL购得的P6微处理器芯片构成的中央处理单元(CPU)110。CPU或处理器110通过微处理器总线130与核心逻辑135与诸如存储器、输入/输出(I/O)单元等主板上的其它系统120通信。处理器110还包括存储通常用来控制CPU电源145的校准电压的电压控制值的电源控制寄存器140。
按照本发明的一个较佳实施例，将来自CPU的电源控制寄存器的用来控制CPU电源145的线路断开，而用诸如开关阵列或独立的微控制器等外部控制装置来提供CPU电源145的控制。
处理器110包含一个内部频率转换器160，它生成从供给主板系统部件的时钟频率中导出的内部时钟频率。频率转换器160通过线路167接收来自振荡器165的时钟输入。
频率转换器160通过锁存制造商的CPU硬件规格所定义的CPU110的针(pin)上的电压电平，在复位时确定的频率上操作。这些针是由多路复用器141驱动的。在未确定复位时这些针是由核心逻辑135控制的。在复位中，这些针由可能是开关或硬接线的跨接线的频率控制硬件143控制。
正如本领域中普通技术人员所熟知的，并且如上面简要讨论的，处理器能够操作的最大时钟速率是为了防止电压断路而由芯片的制造商限定的电源电压范围内提供给处理器110的电源电压的函数。然而，随着电源电压增加，热导致的半导体损坏的可能性也增加。从而，本发明通过根据特定应用的要求用系统管理中断(SMI)技术，或通过增加散热，而利用热管理技术热管理处理器温度。当处理器110的温度超过一定值时，SMI令处理器停止运行或减慢速度。一旦处理器110充分冷却便恢复正常操作。
可以看出，对于某些应用，由SMI引起的处理器110停止运行或速度减慢可能导致处理器110实际上对于较高的电源电压在较慢的有效速率上运行。在这些应用中，必须找到平衡以便处理器110能在对于该芯片的独特特征的最佳容许时钟速率上运行。从而，按照本发明的一个方面，用控制供给处理器110的电源电压及时钟速率的方法找出处理器110能在其上操作的最佳时钟频率。此外，以这一方式，能够利用各单个处理器的最大时钟速率而无缩短处理器110的工作寿命的危险。
处理器110的最佳操作时钟速率能在接通电源时在频率控制器143的控制下用处理器110的内部自检确定。一旦确定了这一最佳时钟速率，处理器110便连同主板上的系统部件120与135一起正常操作。本发明利用处理器时钟频率与主板时钟频率之间的可变关系。因为处理器时钟频率能相对于主板操作频率改变，可以为处理器110规定任何时钟速率而不影响主板系统部件120与135的时钟速率。
图2为通常包含在处理器110内的频率转换器160的高度简化的方框图。如图2中所示，频率转换器160包含第一分频器电路200，它在线167上接收频率输入，并通过三位总线212从第一三位寄存器210接收频率定标器值。将分频输出202(等于输入频率除以A，其中A为存储在第一寄存器210中的三位定标器输入值)作为第一输入202提供给锁相环220。
通过分频器电路230将锁相环220的输出222反馈给锁相环220的第二输入端232。分频器电路230用等于存储在第二三位寄存器240中的值的定标值去除锁相环220的输出信号222的频率。三位定标器值是通过三位总线242作为输入提供给分频器230的。
因为锁相环220寻求维护作用在其第一与第二输入端上的信号的相位与频率的相等性，锁相环220提供的输出信号222的频率等于信号167的输入频率乘以B(其中B等于存储在第二寄存器240中的三位值)除以A。只要锁相环220提供的输出频率222等于输入频率167乘以A分之B，作用在锁相环的第一与第二输入端202与232上的信号的频率便等于输入频率除以A。这里应指出，在A与B为三位二进制计数器的实施例中，A与B通常在1-8(十进制)值范围内。此外，应理解foutmax＝fin×8且foutmin＝fin÷8。由于对于A与B都有8种可能的值，因此有8×8＝64种可能比值。以这一方式，能将处理器时钟设定为由定标器值B与A定义的任何比值，使得主板时钟频率借此从处理器时钟频率上分离。计数器控制寄存器210与240通常为来自实现在处理器内的硬件中的查找表260的输出。寄存器250用于从查找表中选择一项。虽然对于频率转换器的操作并无必要，通常包含查找表来减少定义比值所需的针数。在寄存器250、210与240都是三位寄存器的实施例中，64种可能的比值减少到8种比值的子集。查找表项通常用存储在频率选择寄存器250中的值选择。这一寄存器在复位时通过CPU110上的I/O针142加载，如图1中所示。
图3示出将处理器操作时钟速率设定在最佳值上的本发明的一般方法。该方法在表示为开始框300中初始化，此后，采用一种或多种技术来补充CPU110的冷却，如动作框305中所示。如本技术中众所周知的，每当希望提高中央处理单元的操作速度时，由于增加了CPU的活动而通常导致增加热量。从而，为了避免诸如热损坏等与之关联的有害作用，在提高CPU110的操作速度之前补充CPU冷却是重要的。在一个实施例中，可以用增加风扇或散热片，或者用每当超过温度阈值时便降低CPU110的操作速度的软件热管理来提供CPU冷却。
此后，如动作框310中所示，将CPU110的操作电压设定为最佳额定值。即，CPU110的制造商通常提供指示CPU110能在其上操作的最大操作电压的说明书。由于本技术中众所周知的，操作电压值的增加通常导致CPU110的操作速度的增加，通过将CPU110的操作电压设定在最大额定值上，便能增强CPU110的性能。
一旦将CPU110的操作电压设定在最大额定值上，便表征了所有频率控制值的比值上的CPU性能，如动作框315中所示。即对于A与B的各可能值(见图2)，执行测试来首先判定CPU110是否通过自我诊断检验，如果是，便用诸如可从SEMANTEC公司购得的著名NORTON实用程序等标准基准测定软件来确定该比值的性能分数。表1为表征一个示例性CPU110的比值码(即加载进图2的频率选择寄存器250中的码)的频率控制值。
表1
应指出，CPU110在各频率控制比值上的性能可从CPU制造商的硬件规格手册中提供。
一旦如动作框315中所示，表征了所有频率控制值的比值上的CPU110的性能，便将给出最高性能分数的频率控制值加载进频率选择寄存器250中将比值设定为对应于最佳CPU性能。例如，从表1中所列的示例性值中，具有规范化的性能分散1.34的比值码N+3对应于给出最高性能分数的频率控制值。从而，将值N+3加载进频率选择寄存器250中来确定CPU110的操作速度。
此后，保持故障日志来确定CPU110的故障率，如动作框325中所示。在一个实施例中，故障日志是CPU110执行处理错误的次数的记录。如果判定故障率在一定阈值之上，如判定框330中所示，便将频率控制比值设定为给出次最高性能分数(诸如表1中的值N+2)的值。此后，该方法再次进入动作框325去保持新的故障日志。一旦它确定了故障是可接受的，便将CPU110保持设定在当前频率控制值所提供的操作速度上，该方法结束，如结束框340中所示。当然，应指出，虽然在图3中在本发明的方法中描绘成一个单一步骤，故障日志的保持是有利地在CPU110的整个操作中连续计算的，从而每当故障率超过容许阈值时，便调整频率控制值。
虽然上面已详细描述了本发明的较佳实施例，本领域中的普通技术人员会理解，能对本发明作出明显的修改而不脱离其精神或中心特征。例如，不是简单地与电源电压无关地控制处理器的时钟速率，而是联合控制供给处理器110的电源电压及处理频率，以确定最佳时钟速率。此外，可采用逐步逼近或其它方法，人工或自动选择CPU110的最佳操作速度。从而，只能将上文中的描述设想为示例性的而不是限制性的。因此，本发明的范围应根据所附的权利要求定义。
权利要求
1.一种增强计算机系统中的可变频率处理器的性能的方法，其中所述处理器具有规定的最大电压电平并且是由数控电源电压供电的，所述方法包括下述步骤应用数字电源控制值将所述电源电压设定在所述规定的最大电压电平上；在所述处理器上应用第一数字值，将所述处理器在其上操作的时钟速率设定在初始频率上；判定将所述处理器设定在所述频率上时，所述计算机系统操作是否正常；以及如果将所述处理器设定在所述初始频率上时，所述计算机系统操作不正常，便在所述处理器上应用不同的数字值以降低所述时钟速率直到找出所述处理在其上正常操作的最大时钟速率为止；以及如果将所述处理器设定在所述初始频率上时，所述计算机系统操作正常，便应用数字值来提高所述时钟速率，直到找出所述计算机系统在其上正常操作的最大时钟速率为止。
2.权利要求1中所定义的方法，其中采用逐步逼近来提高或降低所述时钟速率。
3.权利要求1中所定义的方法，其中所述方法还包括下述步骤，监视处理器的温度，并在温度超过阈值时产生一个中断来降低处理器的操作频率，直到处理器温度回到安全值，此时容许处理器在其原来的时钟速率上运行。
4.权利要求1中所定义的方法，其中所述方法包括增加处理器的冷却。
5.一种增强可变频率处理器的性能的方法，其中所述处理器是由数控电源电压供电的，所述方法包括下述步骤在所述电源上应用数字电源控制值，将所述电源电压设定在处理器的操作范围内的电压电平上；在所述处理器上应用第一数字频率控制值，将所述处理器在其上操作的时钟速率设定在初始频率上；判定所述处理器在所述初始频率上是否正常操作；以及在所述处理器上应用不同的数字频率控制值，与所述电源电压联合控制所述时钟速率，以确定所述处理器在其上正常操作的最大时钟速率。
6.权利要求5中所定义的方法，其中采用逐步逼近来提高或降低所述时钟速率。
7.权利要求5中所定义的方法，其中所述方法还包括下述步骤，监视处理器的温度，并在温度超过阈值时产生一个中断来降低处理器的操作频率，直到处理器温度回到安全值时，此时容许处理器在其原来的时钟速率上运行。
8.权利要求5中所定义的方法，其中所述方法包括增加处理器的冷却。
全文摘要
根据各处理器的各个操作特征,为处理器设定最佳处理频率。人工或在软件控制下,将供给处理器的电源电压提高到为该处理器规定的最大值。这使容许处理器在最大可能频率上操作。处理器时钟频率是相对于主板时钟频率变化的,从而能随意将处理器时钟设定在其最大操作频率上。采用逼近法来确定处理器将在其上正常工作的最大时钟频率。为了防止热引发的半导体损坏,执行附加的散热与/或采用热管理方法。也可结合时钟速率控制电源电压来确定最佳操作频率并供应电压给处理器。
文档编号G06F1/00GK1183150SQ96193648
公开日1998年5月27日 申请日期1996年6月27日 优先权日1996年3月1日
发明者小L·R·莫特 申请人:三星电子株式会社