一种微处理器硬件多线程动态变频控制装置及其应用方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及微处理器硬件多线程动态变频控制装置及其应用方法。所述变频控制装置包括：一时钟参数寄存器，一变频标志寄存器，一变频模式寄存器，一时钟产生状态机，N个多路选通器和一组倍频时钟信号，可支持最多N个硬件线程的变频控制。通过所述变频控制装置实现硬件线程数量动态切换的时钟变频方法包括：根据时钟参数寄存器值确定硬件多线程的工作频率；进入变频时钟控制阶段；产生变频时期的时钟信号；变频完成后，更新时钟参数寄存器；退出变频阶段。通过本发明专利技术所述控制装置，可在硬件多线程的线程数量切换时避免流水线排空现象，基本实现无缝切换，大大节省时间，提高了处理器的执行效率并同时降低功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微处理器设计领域，尤其是涉及硬件多线程的动态控制领域，具体为微处理器硬件多线程动态切换控制装置及其应用方法。
技术介绍
微处理器的硬件多线程体系结构，可支持多线程并行处理，这种硬件多线程结构可以避免软件多线程中线程切换带来的功耗代价，具备负载分流、并行处理的能力。但是由于负载流量的不确定性，会导致硬件多线程微处理器的性能损失，即当负载流量变小时，硬件线程一部分处于空跑状态。如何在提高微处理器吞吐率并满足实时性需求的同时消耗更少的功耗是硬件多线程微处理器设计中的一个挑战，比如网络处理器面对的网络系统中网络流量和实时性需求都是实时变化的，如何根据外部环境对系统设备需求的变化合理的调整系统以降低系统功耗。为避免硬件线程的空跑消耗，需要处理器能够根据负载情况动态改变处理器的硬件线程数量，也即动态改变处理器的频率。由于多个硬件线程是同时存在于处理器的流水线之上的，因此硬件多线程的变频不同于通常的处理器变频，需要保证变频后多个线程都正确执行。简单的处理办法是在变频时将处理器的流水线排空，变频后重新填满，这样即浪费时间，又会占用额外的存储资源。
技术实现思路
为解决硬件多线程动态变频的现有开销问题，本专利技术提供一种微处理器硬件多线程动态变频控制装置，及一种硬件线程数量动态切换的时钟变频方法。一个微处理器硬件多线程动态变频控制装置，包括一个时钟参数寄存器，一个变频标志寄存器，一个变频模式寄存器，一个时钟产生状态机，N个多路选通器，一组倍频时钟信号，可支持最多N个硬件线程(其中N为2的整数次幂N=2m)；所述时钟参数寄存器的输出端连接到时钟产生状态机其中一个输入端，用于非变频阶段的时钟信号选择；所述变频标志寄存器的输出端连接到时钟产生状态机其中一个输入端，变频标志寄存器有效时用于使时钟产生状态机进入变频阶段控制，时钟产生状态机进入变频阶段后将变频标志寄存器复位为无效；所述变频模式寄存器的输出端连接到时钟产生状态机其中一个输入端，用于选择变频阶段的时钟信号；所述时钟产生状态机输出的N个选通控制信号连接到一组(N个)多路选通器的选通控制端。时钟产生状态机产生N个变频阶段的时钟信号输出到一组(N个)多路选通器的多路输入端，用于产生一组供硬件多线程处理器流水线上使用的时钟信号。时钟参数寄存器的值会输出到时钟产生状态机，时钟产生状态机在变频后产生新的时钟参数输入到时钟参数寄存器对时钟参数寄存器进行修改。时钟产生状态机进入变频阶段后输出信号到变频标志寄存器更新变频标志信息；所述一组倍频时钟信号分别连接到不同多路选通器的多路输入端，所述一组倍频时钟信号是由基准时钟逐级倍频产生的一组倍频时钟信号，包括基准时钟和逐级倍频的时钟， 分别提供给不同数量硬件多线程时段使用；所述一组多路选通器用于产生N个硬件线程需要的一组工作时钟信号，该多路选通器为N个M+2选1的选通器，每个多路选通器的输入端为从一组倍频时钟信号中选出的一组时钟信号(M+1个)，和由时钟产生状态机产生的时钟信号(1个)。所述时钟产生状态机包含一个多位选通控制寄存器用于控制一组多路选通器的选通控制，一组时钟模式用于时钟产生状态机按步骤产生变频期间的时钟信号，和一套状态转换逻辑用于根据变频模式寄存器的值，按步骤产生变频期间的时钟信号。所述一组倍频时钟信号为由基准时钟逐级倍频产生的一组倍频时钟信号，包括一个频率为F的基准时钟clk，两个频率为(F/2)、相位相隔(360度/2)的倍频时钟 clk_2T_l和clk_2T_2,22个频率为(F/22)、相位相隔(360度/22)的倍频时钟clk_4T_l、 clk_4T_2、clk_4T_3 和 clk_4T_4,…，N (=2M)个频率为(F/2M)、相位相隔(360 度 /2M)的倍频时钟 clk_NT_l、clk_NT_2、clk_NT_3、…、clk_NT_N。共计(2M+1_1)个，分别提供给不同数量硬件多线程时段使用。所述一组多路选通器为N个(M+2)选1的选通器，用于产生N个硬件线程需要的时钟信号(clk_l、clk_2、…、clk_N)，每个多路选通器的输入端为从一组倍频时钟信号中选出的一组时钟信号(M+1个)，和由时钟产生状态机产生的时钟信号(1个)。所述每个多路选通器输入端的一组时钟信号(M+1个)为频率F、F/2、…、F/2M的时钟信号各一个。其中， elk连接到每一个多路选通器的输入端；clk_2T_l和clk_2T_2分别连接到奇数序号的多路选通器的输入端和偶数序号的多路选通器的输入端；clk_4T_l、clk_4T_2、clk_4T_3和 clk_4T_4分别连接到4i+l序号、4i+2序号、4i+3序号和4i+4序号的多路选通器的输入端 (i>=0) ；clk_NT_l、clk_NT_2、clk_NT_3、…、clk_NT_N 分别连接到 1 号、2 号、3 号、.-、N 号多路选通器的输入端。所述时钟产生状态机的一组时钟模式是按照硬件多线程的数量和线程切换情况预先定义的，根据时钟产生状态机中状态转换逻辑按步骤选择产生变频期间的时钟信号。所述时钟产生状态机的一套状态转换逻辑用于根据变频模式寄存器的值，按步骤产生变频期间的时钟信号，该变频期间的时钟信号不同于一组倍频时钟信号。变频期间的时钟信号用于延迟流水线上的某些寄存器，使得频率切换后流水线上需要保留的线程的寄存器值和上下文不会被丢失或覆盖。上述微处理器硬件多线程动态变频控制装置的应用方法具体为通过微处理器硬件多线程动态变频控制装置实现硬件线程数量动态切换的时钟变频方法，该方法包括以下步骤1)根据当前时钟参数寄存器的状态从一组倍频时钟信号中选择相应的硬件多线程时钟频率，所述一组倍频时钟信号包括基准时钟和逐级倍频的时钟；2)变频标志寄存器中变频标志位有效，进入变频时钟控制阶段；3)按照变频模式寄存器的值，配合硬件线程数量的切换，选择合适的时钟模式执行状态转换过程，产生变频时期的时钟信号，保证硬件线程能够正确运行；4)变频完成后，更新时钟参数寄存器；5)退出变频阶段，根据新的时钟参数寄存器状态选择相应的硬件多线程时钟频率，硬件多线程正常工作。本专利技术的优点是通过微处理器硬件多线程动态变频控制装置，可以在硬件多线程的线程数量切换时避免了流水线排空现象，基本实现了无缝切换，大大节省了时间，提高了处理器的执行效率并同时降低功耗。附图说明图1为微处理器硬件多线程变频控制装置图。图2为硬件多线程处理器流水线时钟结构图。图3为通过微处理器硬件多线程动态变频控制装置实现硬件线程数量动态切换的时钟变频方法的步骤图。图4为硬件4线程下变频阶段待选择时钟模式图。图5为硬件4线程下非变频阶段时钟的工作模式图。图6为硬件4线程时从硬件4线程变频为硬件2线程时的一种情况。具体实施例方式为讨论方便，下面以硬件4线程为例，结合附图，对本专利技术的实现进行详细描述。N 等于4，即M等于2。硬件4个线程为满负荷，根据处理器负载的情况，可选择硬件4线程、硬件2线程、 硬件1线程这3种工作模式中的一种使得处理器正常运行，在处理器负载发生变化需要进行硬件线程数量的切换时，由本专利技术的变频控制装置完成处理器频率的转换，其中也包括必要的线程迁移，当变频阶段结束后，处理器继续正常运行，由本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一个微处理器硬件多线程动态变频控制装置，其特征在于，所述变频控制装置包括一个时钟参数寄存器，一个变频标志寄存器，一个变频模式寄存器，一个时钟产生状态机，Ｎ个多路选通器，一组倍频时钟信号，可支持最多Ｎ个硬件线程（其中Ｎ为２的整数次幂Ｎ＝２Ｍ）；所述时钟参数寄存器的输出端连接到时钟产生状态机，用于非变频阶段的时钟信号选择；所述变频标志寄存器的输出端连接到时钟产生状态机，变频标志寄存器有效时用于使时钟产生状态机进入变频阶段控制，时钟产生状态机进入变频阶段后将变频标志寄存器复位为无效；所述变频模式寄存器的输出端连接到时钟产生状态机，用于选择变频阶段的时钟信号；所述时钟产生状态机输出的Ｎ个选通控制信号连接到一组（Ｎ个）多路选通器的选通控制端并由多路选通器输出时钟信号到Ｎ个硬件线程；时钟产生状态机产生Ｎ个变频阶段的时钟信号输出到一组（Ｎ个）多路选通器的多路输入端，用于产生一组供硬件多线程处理器流水线上使用的时钟信号；时钟产生状态机在变频后产生新的时钟参数输入到时钟参数寄存器对时钟参数寄存器进行修改；时钟产生状态机进入变频阶段后输出信号到变频标志寄存器更新变频标志信息；所述一组倍频时钟信号分别连接到不同多路选通器的多路输入端，所述一组倍频时钟信号是由基准时钟逐级倍频产生的一组倍频时钟信号，包括基准时钟和逐级倍频的时钟，分别提供给不同数量硬件多线程时段使用；所述一组多路选通器用于产生Ｎ个硬件线程需要的一组工作时钟信号，该多路选通器为Ｎ个Ｍ＋２选１的选通器，每个多路选通器的输入端为从一组倍频时钟信号中选出的一组时钟信号（Ｍ＋１个），和由时钟产生状态机产生的时钟信号（１个）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐悦，王磊，罗新强，王沁，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11