动态以太网功率管理的制作方法

专利名称：动态以太网功率管理的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及与网络相接的方法和设备，更具体地说，是与诸如以太网的网络相接且允许网络上有多种通信数据速率的方法和设备。
背景技术：
与有线网络相连的设备有很多。一个例子就是宽带电话接口(BTI)。在宽带电话接口(BTI)产品以及其它许多宽带通信产品中，要提供一个以太网端口来将高速数据传出和传进个人电脑(PC)或类似产品中。BTI产品还给有线平台和多电话端口提供高速连接。随着BTI进入其第二代，10/100BaseT以太网端口已成为了标准。以太网端口能够在10Mbps或100Mbps速率上发送和接收数据。正常地，实际的速率仅仅受限于同位体，也就是与它相通信的其它设备。例如，假如BTI与装配有10/100BaseT型网卡的计算机相连，两端将会自动协商好使用高一些的速率。假如计算机装配有10BaseT型网卡，两端将会自动协商(negotiate)好使用10Mbps速率，在两端都一样。为了获得更好的性能，常常使BTI在100Mbps速率下工作。相同的方案适用于大部分其它产品，包括冲浪板(Surf Board)电缆调制解调器产品线。
从性能和市场观点来看，想让以太网端口在其可能的最快速率上工作是很自然的，也就是说，例如只要同位体支持100Mbps。可是，以太网端口在100Mbps速率模式上工作需要很大的功率，因此减少了电池给设备供电的时间长度，并且伴随着也减少了这些产品能适合的应用的数目和类型。而且，随着能量消耗地继续增加而能量资源保持恒定，减小和保存能量的压力就产生了。并且，随着网络在当今社会变得普遍存在，这些设备将会变成潜在的重要的能量消耗者。
因此本发明指向的问题是，在不牺牲通信过程性能的情况下，开发出一种能够降低网络接口设备功耗的方法和设备。

发明内容
本发明通过提供一种控制接口的工作速率的方法和设备，使得它一般在功耗最小的速率上工作(除非有数据传送)，从而解决上述和其它问题。
根据通过控制处理器和网络之间接口的方法的一种典型实施例，实施例监测来自处理器端和网络端的数据业务。一旦监测到在双端都没有数据业务的预定时间周期，实施例就使接口的自动协商模式失效，并且强制接口工作在其最低速率上。另外，实施例可以通过不通告其高速率能力来强制接口自动协商到一个较低的速率上。实施例还可以在改变速率前暂时移走一个连接信号以允许同位体采用一种新速率。
一旦工作在低速率模式，实施例就监测处理器和网络两端上的数据。一旦监测到数据的预定和可配置数目，实施例就可以使自动协商模式有效。此外，在切换速率前，实施例可以暂时移走一个连接信号以允许对等物采用一种新速率。如果自从上一次速率改变后，还没有出现预定周期的话，就可以将滞后效应也包含在实施例中滞后，用来防止速率改变。
根据通过控制处理器和网络之间接口的方法的另一种实施例，实施例监测来自处理器和网络两端的数据业务，并且一旦监测到在双端没有数据业务的预定时间周期，就强制接口工作在其最低速率上。根据这种实施例，不需要使自动协商模式失效就可以切换速率。一种不需要使自动协商模式失效就可以切换速率的技术包括强制控制器去通告一个特定的速度，并强制重新自动协商。
根据通过控制处理器和网络之间接口的方法的另一种实施例，实施例监测通信接口输入端上的计数器以及通信接口输出端上的计数器。在输入和输出计数器的第一预定周期上，如果监测到活动性低于第一阈值，就切换到较低的速率模式；在输入和输出计数器的第二预定周期上，如果监测到输入和输出计数器上的活动性中任何一个超过预定阈值，就切换到较高的速率模式。这种实施例能够应用在利用多种速率模式的通信接口上。在多种速率模式的应用中，假如还不是工作在最低速率模式上，就可以通过切换到多种速率模式中下一个更低速率模式的方式来切换到更低一些的速率模式上，假如还不是在最高速率模式上工作，可以通过切换到多种速率模式中下一个更高速率模式的方式来切换到更高一些的速率模式上。
根据本发明的另一个方面，实现上述方法的设备包括处理器、内存、一个网络接口、输入和输出计数器。内存存储处理器执行的指令。网络接口与一个输入和输出数据线相连并且提供输入和输出数据信号。输入计数器给大量的输入数据包计数，输出计数器给大量的输出数据包计数。处理器与内存、网络接口、输入输出计数器相连，并且执行存储在内存中的指令，分别基于当前所述的来自网络接口的输入和输出数据信号中数据包，增加输入和输出计数器中的计数。在输入和输出计数器的第一预定周期上，如果监测到活动性低于第一阈值，就切换到低一些的速率模式；在第二预定周期上，如果监测到输入和输出计数器上的活动性中任意一个超过第二预定阈值，就切换到高一些的速率模式。
根据本发明的另一个方面，一种可机读的媒质包括编码在其上的编程指令，其使得处理器去监测在网络接口的输入端上的计数器和在网络接口的输出端上的计数器，在输入和输出计数器的第一预定周期上，如果监测到活动性低于第一阈值就切换到低一些的速率模式；以及在第二预定周期上，如果监测到输入和输出计数器上的活动性中任意一个超过第二预定阈值就切换到高一些的速率模式。


图1说明了根据本发明一个方面的一种典型实施例的方框图；图2说明了根据本发明另一个方面的方法的一种典型实施例；图3说明了根据本发明另一个方面的方法的另一种典型实施例；图4说明了根据本发明又一个方面的方法的另一种典型实施例；图5说明了实现根据本发明一个方面的图2-4中的方法的设备的一种典型实施例。
具体实施例方式
值得注意的是，其中所引用的任何“一种实施例(one embodiment、an embodiment)”指的是与实施例相关的特定的特点、结构或者是所描述的特性都至少包括在本发明的一种实施例中。在说明书中不同位置出现的术语“在一种实施例中(in one embodiment)”并不必都指向同一个实施例。
本发明在宽带电话接口(BTI)的2.0版本中得到了应用。随后的版本也可以适用。本发明可以结合进需要10/100BaseT以太网端口的产品中，特别是那些要涉及到功率节省的产品。而且，本发明可以应用在工作于多个连接速率的任何网络设备上。
本发明可以提供一种在很少或者无消耗和性能影响的情形下大量降低功耗的方法。其中的实施例提供了一种管理以太网端口速率的智能化方法，其在不影响硬件和性能标准的情况下获得功率节省。本发明与线缆系统上的数据接口规范(DOCSIS)电缆调制解调器以及基于网际协议(IP)网络的语音相关。
为了在不损害性能或不要求对硬件进行修改的前提下获得很大的功率节省，这里的实施例动态地控制以太网端口速率，由此降低了功率。本发明与使以太网端口工作在其最高速率模式的大多数传统应用相反，在BTI空闲模式中，即使它及其同位体有能力在高一些的速率上工作，本发明努力去控制以太网端口使其工作在其最低速率上来节省功率。由于这种修改工作在空闲模式上，不会降低性能。而且，在空闲模式中，以太网端口工作在低速率上还可以保持数据路径，因而保证不会中断服务有效性。
根据本发明的一种典型实施例，当在正常模式时，假如BTI在一个预定时间内检测到缺乏来自有线平台端和个人电脑(PC)端的数据(可配置的固件)，BTI就进入空闲模式。这使得以太网速率自动协商功能失效，并且强制以太网端口工作在10兆比特/秒(Mbps)的速率上，它是一种功耗低一些的模式。当在空闲(10BaseT)模式时，假如BTI监测到去往以太网方向的预定数量数据(它也是可配置的固件)时，BTI就进入正常模式。这使得以太网速率自动协商功能有效，允许端口工作在BTI及其同位体所能支持的最高速率上。而且，以太网端口速率的管理可以在固件中完全实现，不需要额外的硬件开销。
上述实施例也能应用在其它安装有速率可切换的高速通信端口的产品中。这样产品的例子包括家用电话线网络协会(Home PhonelineNetwork Association，HPNA)端口，它包括1Mb模式和10Mb模式，这种产品的例子还包括通用串行总线(USB)端口，其中包括1.5Mb模式和12Mb模式。
在BTI产品以及其它许多高速通信产品中，要提供一个以太网端口来将高速数据传进和传出个人电脑(PC)或相似设备中。随着BTI进入其第二代，10/100BaseT以太网端口就成为标准。这种以太网端口能够在10Mbps或100Mbps速率上发送和接收数据。正常地，实际速率仅仅受限于其同位体。例如，假如BTI与一个装配有10/100BaseT网卡的计算机相连时，双方会自动协商使用高一些的速率。假如计算机上装配的是10BaseT网卡，双方会协商使用10Mbps，在两端都一样。为了最好的性能，BTI常常使100Mbps速率工作有效。相同的方案应用在其它大部分产品中，包括冲浪板(Surf Board)电缆调制解调器产品线。
从性能和市场观点来看，想让以太网端口在其可能的最快速率上工作是很自然的，也就是说，只要同位体支持100Mbps。可是，在100Mbps速率模式上工作的以太网接口需要承受很大的功率节省压力。
本发明可以解决上述困难的选择。由于这种产品的本性，也就是说BTI工作在空闲模式(登记到电缆调制解调器终端系统(CMTS)，但在PC和BTI之间没有数据业务)，在空闲模式中获得的节省有重要的作用。在空闲模式中，本发明努力强制以太网端口进入低速率模式(10Mbps)来保存功率，并且假如必要的话，当监测到有数据业务传送到或来自PC时就智能地切换到高速率模式(100Mbps)。
强制以太网端口进入低速率模式可以保持数据路径激活，使得消费者能保持得到服务。人们可能会把低速和低性能联系在一起，但其实并非如此，其原因在于(1)在基于电缆调制解调器的BTI中的实际上行/下行数据业务速率没有接近10Mbps；并且(2)单元是在空闲模式中、在第一位置上。当需要服务时，固件智能地使高速模式重新有效。当以太网端口工作在低速模式时，它的功耗就很低。
为了决定在以太网端口中采用哪种速率，固件监测来自PC端和电缆线路(HFC)端的数据业务。在一个双边上没有数据业务的静止(quiet)周期(可以配置)后，固件关闭以太网端口的速率自动协商模式，然后强制端口工作在10Mbps。固件需要暂时移走一个连接信号来允许同位体采用新速率。当工作在低速率模式时，固件继续监测HFC和PC端的数据。假如监测到预定数目的数据(可配置)的话，固件就打开自动协商模式。固件需要暂时移走一个连接信号来允许同位体采用新速率。速率协商发生得非常快，因此不会出现数据丢失。
不使自动协商模式失效就切换速率也是可能的。固件可以强制以太网控制器通告一个特定的速率，并且强制重新进行自动协商。
在固件中增加一些滞后效应来避免过于频繁地速率切换是很重要的。要牢牢记住的是，即使是在10BaseT模式，以太网端口的速率仍旧比HFC接口的快，也就是说10BaseT模式没有性能瓶颈，并且不会降低数据性能。
从BTI 2.0单元取得的实际测量数据显示，当单元被强制进入10BaseT模式时节省的功率大约为250mW。这个数据是基于DC供电方式取得的。利用效率低一些的AC供电方式，可以期望得到附加的功率节省(300mW或更高)。而且，由于AC供电方式出现在消费者的优选方法中，所以本发明显得更加有吸引力。
图1说明了本发明的一种典型实施例10的方框图。PC(或集线器/交换机/路由器)通过BTI单元2连接到HFC网络3或因特网上。数据业务在BTI单元2的两端上传输。当来自PC或HFC网络的数据业务出现时，BTI使以太网的高速工作模式有效。在空闲模式时，BTI强制以太网工作在10Mbps速率模式来保存功率。PC1与BTI单元2.0在10BaseT以太网端口4连接。
图2说明了根据本发明的另一方面的方法的一种典型实施例20的流程图。实施例20控制处理器和网络之间的接口来最小化网络通信的能量消耗。流程20从监测接口21的两端上的(也就是处理器端和网络端上的)数据业务开始。假如存在有一个预定周期内在双端没有数据业务的话22，该流程就使接口24的自动协商模式失效。
预定周期的一个可能的例子是6分钟。因此，假如在6分钟内没有数据出现，软件就会切换到速率低一些的模式，如同下面所述。预定周期的其它实现方式也是可能的，比如1分钟、2分钟、10分钟等等，这取决于应用。至于由没有数据业务组成什么的决定在固件中是可系统化配置的。特定数量的数据传输或不传输的周期长度以及低于或超过能引发自动协商模式失效的通信的阈值都是在系统级的水平上由安装在网络接口上的固件配置的。例如，在足够维持高速模式的预定周期内，数据的数目可以是一个单包。另外，在预定周期内有多包的话就要求防止切换到低速模式。在低速模式上而不是高速模式上传送少量数据包对性能的损害很小。因此，建立要求保持高速模式工作的最小数目的业务可以防止连续的模式切换，在大量节省功率的同时并不降低性能。
一旦自动协商模式失效，接口被强制工作在最低速率模式上。上述程序就可以暂时地中断连接信号或者是将接口和网络电绝缘25，从而使得允许同位体计算机采用新的通信速率。一旦系统工作在低速模式，流程监测处理器端和网络端上的数据26。一旦监测到预定和配置数目的数据27，处理器使得自动协商模式有效29。如前所述，连接信号被暂时地中断或者是将接口电绝缘30，从而允许任意同位体计算机采用新的通信速率。为了避免过多的速率调整，自从上一个速率改变后，如果不出现预定周期，处理器就禁止速率改变(看步骤23和28)。在另一个速率可能改变之前的预定周期长度在固件中是可配置的。流程返回来监测数据业务21。
图3说明了根据本发明的另一方面的方法的另一种典型实施例31。实施例控制处理器和网络之间的接口来优化安装此接口的设备的能量效率。流程从监测接口的两端上的(也就是处理器端和网络端上的)数据业务开始32。一旦监测到在一个预定周期内在两端上很少或者是没有数据业务时33，接口就被强制工作在其最低速率模式35。在这个实施例中，不需要使自动协商模式失效就可以实现速率切换。为了实现该目标，处理器强制以太网控制器通告一个特定速率(比如慢的)，然后强制重新进行自动协商(看步骤35)。如同在上述实施例中一样，自从上一次速率改变后，如果不出现一个预定和可由固件配置的周期，就禁止速率改变34。一种避免速率改变过于频繁的技术是在系统响应中增加一些滞后效应。如同在上述实施例中一样，可以暂时地中断连接信号或者将接口和网络电绝缘36，从而允许同位体处理器采用新的通信速率。一旦系统工作在低速模式，处理器监测处理器端和网络端的数据37。一旦监测到预定和配置数目的数据38，处理器就可以实现与上述相反的情形(步骤39，48和49)。在这个实施例中，在不使自动协商模式失效的情况下再次切换速率48。为了实现此目标，处理器强制以太网控制器通告一个特定速率，然后强制重新进行自动协商。如前所述，连接信号被暂时地中断或者将接口电绝缘，从而允许任意同位体计算机采用新的通信速率49。流程返回来监测数据业务32。
为了监测通信，软件监测BTI的以太网控制器中的计数器寄存器。假如通信发生在输入端或输出端，这些寄存器就会随着通信量的增加而增量。通过监测在预定间隔中的通信量，软件就能确定是否有充足的静止周期来正确地切换到低速模式。如上所述，这种最小通信量可能是一个单包或者是一长串包，表明一个特别快速的连接是合适的。
图4也说明了根据本发明一个方面的方法的另一种典型实施例40。在其中安装了软件或固件的接口工作时，流程连续运行。处理器监测以太网输入和输出端中的计数器41。假如在上一个时钟循环或另一个预定周期中输入和输出端计数器有变化42，那么程序就确定设备处于激活状态，并且应用可选的滞后效应45，其中软件检测变化是否持续了X秒。时间长度X可以短到0秒或者长到几分钟(如6分钟)，这取决于应用。假如滞后效应测试通过，当接口还不处于10BaseT模式时，软件就把接口模式切换到10BaseT46。假如滞后效应测试没有通过，那么软件就返回来监测计数器41。一旦切换了模式(或者该模式并不取决于步骤46中的接口模式)，流程就返回来监测计数器41。回到步骤42，假如计数器保持不变，流程就确定接口处于空闲模式，并且应用可选的滞后效应43，其中软件检测变化是否持续Y秒。时间长度Y可以短到0秒或者长到几分钟或几小时，这取决于应用。假如滞后效应测试没有通过43，那么流程就回来监测计数器41。假如滞后测试通过了的话，那么在当前模式是100BaseT时，就切换到10BaseT模式。
图5说明了一种根据本发明的又一个方面、能实现上述方法的设备50的典型实施例。设备包括一个处理器51、内存54、55、一个以太网接口53和输入/输出计数器52。该处理器是处理速度为300 MIPS等级的(MIPS 300 class process)，比如Broadcom公司制造的BCM3350。其它处理器也能满足条件。这种处理器包括一个用来给输入和输出计数的内部计数器。但是，一个外部计数器也可以满足条件。以太网接口把以太网输入提供给处理器，处理器更新计数器。固件嵌入在闪存55中并且从SDRAM 54中执行。SDRAM是8M字节的内存，而闪存是4M字节的内存。但是其它大小的内存也可以满足条件。处理器包括一个用来决定通信接口速率模式的控制寄存器56。一旦确定合适的速率改变，处理器把寄存器56中的数值更新到与处理器已经决定改变到的合适速率相对应的数值。
虽然在这里对各种实施例进行了专门说明和描述，但是应该认识到，在不背离本发明的精神和目的范围的前提下，对本发明进行的修订和修改是包含在上面的教导中并且落入所附权利要求的范围中的。例如，虽然使用了几个实施例来说明特定通信模式的用法(如10BaseT，100BaseT)，但是其它模式也同样适用。而且，虽然在一些实施例仅仅描述两钟模式，但是也可以使用多种模式，其中可以从高一些的速率模式切换到低一些的速率模式或者是切换到最低速率模式，这取决于应用。另外，随着活动性水平连续地降低或者保持不活动状态，从高一级的速率模式到低一级的速率模式的切换逐步地进行。在速率增加的情形下，随着附加传送的要求增加或保持恒定，从低一级的速率模式到高一级的速率模式的切换会逐步地进行。这种模式间的等级切换给用户活动性提供适应性的调节，并且保证使用满足需要的最高功率节省模式。另外，这种模式间等级切换可以提供较小的功率资源上的功率损耗，这种损耗可能是由于快速从很低速模式切换到很高速模式而引起的，特别是在低电压应用中。而且，这些例子不应该被解释成对权利要求书所覆盖的本发明的修改和变化的限制，而仅仅是对可能存在的变化的说明。
权利要求
1.一种控制处理器和网络之间接口的方法，它包括监测来自处理器端和网络端的数据业务；检测在双端上都没有数据业务的预定周期；使接口的自动协商模式失效；和强制接口工作在其最低速率模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括暂时地移走一个连接信号来允许同位体采用新速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包括将网络和接口电绝缘来允许同位体采用新速率。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括在低速模式中监测处理器端和网络端的数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其还包括一旦检测到预定和可配置的数据量，就使自动协商模式有效。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包括暂时地移走一个连接信号来允许同位体采用新速率。
7.根据权利要求5所述的方法，其还包括将网络和接口电绝缘来允许同位体采用新速率。
8.根据权利要求1所述的方法，其还包括自从上一个速率改变后，如果不出现预定周期就禁止速率改变。
9.一种控制处理器和网络之间接口的方法，其包括监测来自处理器端和网络端的数据业务；检测在双端上没有数据业务的预定周期；和强制接口工作在其最低速率模式。
10.根据权利要求9所述的方法，其还包括不需要使自动协商模式失效就切换速率。
11.根据权利要求9所述的方法，其还包括强制以太网控制器通告一个特定速率并且强制重新进行自动协商。
12.根据权利要求9所述的方法，其还包括自从上一个速率改变后，如果不出现预定周期就禁止速率改变。
13.根据权利要求9所述的方法，其还包括提供某种滞后效应来避免过分频繁地速率改变。
14.根据权利要求9所述的方法，其还包括暂时地移走一个连接信号来允许同位体采用新速率。
15.根据权利要求9所述的方法，其还包括将网络和接口电绝缘来允许同位体采用新速率。
16.根据权利要求9所述的方法，其还包括在低速模式中监测处理器端和网络端的数据。
17.根据权利要求16所述的方法，其还包括一旦检测到预定和可配置的数据量就使自动协商模式有效。
18.根据权利要求17所述的方法，其还包括暂时地移走一个连接信号来允许同位体采用新速率。
19.根据权利要求17所述的方法，其还包括将网络和接口电绝缘来允许同位体采用新速率。
20.一种控制通信接口的方法，其包括监测通信接口输入端的计数器和监测通信接口输出端的计数器；在输入和输出计数器的第一预定周期上，如果检测到活动性低于第一阈值就切换到低一些的速率模式；和在输入和输出计数器的第二预定周期上，如果检测到输入和输出计数器中一个上的活动性超过预定阈值就切换到高一些的速率模式。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述通信接口包括多个速率模式。
22.根据权利要求21所述的方法，假如还不到所述多个速率模式中的最低速率模式的话，其中所述的切换到低一些的速率模式就包括切换到所述多种速率模式中的下一个低一些的速率模式。
23.根据权利要求21所述的方法，假如还不到所述多个速率模式中的最高速率模式的话，其中所述的切换到高一些的速率模式就包括切换到所述多种速率模式中的下一个高一些的速率模式。
24.一种控制至少有两种通信速率模式的通信接口的装置包括一个存储多条指令的内存；一个连接到输入和输出数据线并且能提供输入和输出数据信号的网络接口；一个给大量输入数据包计数的输入计数器；一个给大量输出数据包计数的输出计数器；和一个与所述内存、所述网络接口、所述输入和输出计数器相连的处理器，并且所述处理器执行存储在所述内存中的指令，分别基于当前所述的来自网络接口的输入和输出数据信号中数据包来增加所述输入和输出计数器中的计数；在输入和输出计数器的第一预定周期上，如果检测到活动性低于第一阈值，所述处理器就将所述装置切换到低一些的速率模式；在输入和输出计数器的第二周期上，如果检测到输入和输出计数器中一个上的活动性超过预定阈值就切换到高一些的速率模式。
25.根据权利要求24所述的设备，其中所述通信接口包括多个速率模式。
26.根据权利要求25所述的设备，假如所述装置还不是工作在所述多个速率模式中的最低速率模式的话，其中所述的处理器就切换到所述多种速率模式中的下一个低一些的速率模式。
27.根据权利要求25所述的设备，假如所述装置还不是工作在所述多个速率模式中的最高速率模式的话，其中所述的处理器就切换到所述多种速率模式中的下一个高一些的速率模式。
28.一种可机读的媒质，其具有编码在其上的程序指令，可引发处理器监测通信接口输入端的计数器和监测通信接口输出端的计数器；在输入和输出计数器的第一预定周期上，如果检测到活动性低于第一阈值就切换到低一些的速率模式；和在输入和输出计数器的第二预定周期上，如果检测到输入和输出计数器中一个上的活动性超过第二预定阈值就切换到高一些的速率模式。
29.根据权利要求28所述的可机读的媒质，其中通信接口包括多个速率模式。
30.根据权利要求29所述的可机读的媒质，假如还不到所述多个速率模式中的最低速率模式的话，其中所述的切换到低一些的速率模式就包括切换到所述多种速率模式中的下一个低一些的速率模式。
31.根据权利要求21所述的方法，假如还不到所述多个速率模式中的最高速率模式的话，其中所述的切换到高一些的速率模式就包括切换到所述多种速率模式中的下一个高一些的速率模式。
全文摘要
为了减少网络和处理器之间电信接口的功耗，本发明公开了一种控制接口的方法，该方法监控来自接口端的数据业务(21)。一旦检测到双端上的无数据业务的预定周期的话(23)，此方法就使接口的自动协商模式失效(24)，并且强制接口工作在其最低速率模式。
文档编号H04L12/413GK1509545SQ02810201
公开日2004年6月30日 申请日期2002年6月18日 优先权日2001年6月20日
发明者金宇澄 申请人:通用仪表公司