本技術(shù)實(shí)施例涉及但不限于工業(yè)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種用于工業(yè)控制的微處理器調(diào)頻調(diào)壓裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在工業(yè)控制領(lǐng)域中，在中央處理器中增加浮點(diǎn)運(yùn)算指令集并提高工作主頻，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算的有效方式，尤其適用于risc-v指令集處理器，可顯著提升數(shù)據(jù)處理能力。但在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多難題。從可靠性和芯片良率角度，定頻定壓策略要保證工藝最差芯片能工作，致使難以提高主頻。調(diào)壓定頻方法雖能一定程度提升主頻，可工控環(huán)境極端，如40nm工藝制程的微處理器在125℃老化1000小時(shí)，性能退化幅度可達(dá)15%，需預(yù)留大量性能冗余，限制了主頻提升。此外，基于工作負(fù)載的動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（dvfs）策略，雖理論上能平衡性能與功耗，但需要復(fù)雜調(diào)度軟件，不適用于無(wú)法運(yùn)行復(fù)雜操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)。

2、因此，在不依賴(lài)先進(jìn)制程的情況下，找到合理的處理器調(diào)頻調(diào)壓方法，在提高工作主頻、利用浮點(diǎn)指令進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，是當(dāng)前工控領(lǐng)域亟待攻克的重要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、以下是對(duì)本文詳細(xì)描述的主題的概述。本概述并非是為了限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

2、本技術(shù)實(shí)施例提供了一種用于工業(yè)控制的微處理器調(diào)頻調(diào)壓裝置及方法，通過(guò)各模塊的協(xié)同，在提升微處理器工作主頻、充分運(yùn)用浮點(diǎn)指令開(kāi)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算的同時(shí)，可確保微處理器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3、第一方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種用于工業(yè)控制的微處理器調(diào)頻調(diào)壓裝置，包括：相互連接的第一電壓頻率適配模塊、第二電壓頻率適配模塊、參數(shù)獲取模塊、電壓頻率配置檢驗(yàn)?zāi)K、電壓頻率執(zhí)行優(yōu)化模塊和性能退化適配模塊；所述參數(shù)獲取模塊用于獲取微處理器的初始測(cè)量參數(shù)集和當(dāng)前測(cè)量參數(shù)集；所述性能退化適配模塊根據(jù)所述微處理器的性能電壓相關(guān)系數(shù)β、性能溫度相關(guān)系數(shù)γ、初始測(cè)量參數(shù)集和當(dāng)前測(cè)量參數(shù)集計(jì)算得到性能折損因子；所述電壓頻率執(zhí)行優(yōu)化模塊用于設(shè)置所述微處理器的配置模式，并根據(jù)所述性能折損因子對(duì)初始電壓頻率表進(jìn)行折損處理，生成電壓頻率配置表，以及基于所述電壓頻率配置表對(duì)電壓和主頻進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的所述電壓和所述主頻配置所述第一電壓頻率適配模塊，其中，所述配置模式為安全模式和性能模式中的任意一種，所述安全模式和所述性能模式對(duì)應(yīng)的主頻不同，所述初始電壓頻率表是根據(jù)所述配置模式和所述初始測(cè)量參數(shù)集生成的；所述電壓頻率配置檢驗(yàn)?zāi)K用于根據(jù)調(diào)整后的所述電壓和所述主頻進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果反饋給電壓頻率執(zhí)行優(yōu)化模塊；所述電壓頻率執(zhí)行優(yōu)化模塊用于在所述測(cè)試結(jié)果表征測(cè)試合格的情況下，將調(diào)整后的所述電壓和所述主頻作用于所述第二電壓頻率適配模塊。

4、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述裝置還包括寄存模塊，所述參數(shù)獲取模塊包括電壓監(jiān)視模塊、溫度監(jiān)視模塊和硅器件時(shí)延監(jiān)視模塊；其中，所述電壓監(jiān)視模塊用于測(cè)量微處理器的電壓；所述溫度監(jiān)視模塊用于測(cè)量所述微處理器的溫度；所述硅器件時(shí)延監(jiān)視模塊用于測(cè)量所述微處理器的硅器件時(shí)延；所述寄存模塊分別與所述電壓監(jiān)視模塊、所述溫度監(jiān)視模塊以及所述硅器件時(shí)延監(jiān)視模塊連接，用于記錄測(cè)量得到的所述微處理器的所述電壓、所述溫度和所述硅器件時(shí)延。

5、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述微處理器設(shè)置有第一測(cè)試點(diǎn)和第二測(cè)試點(diǎn)，所述第一測(cè)試點(diǎn)位于所述電壓頻率配置檢驗(yàn)?zāi)K內(nèi)，所述第二測(cè)試點(diǎn)位于所述微處理器內(nèi)；所述電壓監(jiān)視模塊、所述溫度監(jiān)視模塊、所述硅器件時(shí)延監(jiān)視模塊均分別與所述第一測(cè)試點(diǎn)和所述第二測(cè)試點(diǎn)連接，用于實(shí)時(shí)獲取所述微處理器的所述電壓、所述溫度和所述硅器件時(shí)延。

6、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述性能退化適配模塊設(shè)有異常報(bào)警單元，當(dāng)所述性能退化適配模塊檢測(cè)到性能折損達(dá)到預(yù)設(shè)的性能折損率閾值，所述異常報(bào)警單元輸出預(yù)警信號(hào)并向所述微處理器發(fā)送中斷信號(hào)。

7、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述第一電壓頻率適配模塊包括第一電源調(diào)節(jié)模塊和第一頻率調(diào)節(jié)模塊，所述第二電壓頻率適配模塊包括第二電源調(diào)節(jié)模塊和第二頻率調(diào)節(jié)模塊，所述第一電源調(diào)節(jié)模塊和所述第一頻率調(diào)節(jié)模塊均與所述電壓頻率執(zhí)行優(yōu)化模塊、所述電壓頻率配置檢驗(yàn)?zāi)K連接，所述第二電源調(diào)節(jié)模塊和所述第二頻率調(diào)節(jié)模塊均與所述電壓頻率執(zhí)行優(yōu)化模塊、所述微處理器連接。

8、第二方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種用于工業(yè)控制的微處理器調(diào)頻調(diào)壓方法，應(yīng)用如前面的一種用于工業(yè)控制的微處理器調(diào)頻調(diào)壓裝置，包括：獲取微處理器的初始測(cè)量參數(shù)集和當(dāng)前測(cè)量參數(shù)集；設(shè)置所述微處理器的配置模式，并根據(jù)所述配置模式和所述初始測(cè)量參數(shù)集生成初始電壓頻率表，所述配置模式為安全模式和性能模式中的任意一種，所述安全模式和所述性能模式對(duì)應(yīng)的主頻不同；獲取所述微處理器的性能電壓相關(guān)系數(shù)β和性能溫度相關(guān)系數(shù)γ；根據(jù)所述性能電壓相關(guān)系數(shù)β、所述性能溫度相關(guān)系數(shù)γ、初始測(cè)量參數(shù)集和所述當(dāng)前測(cè)量參數(shù)集，計(jì)算得到性能折損因子；根據(jù)所述性能折損因子對(duì)所述初始電壓頻率表進(jìn)行折損處理，生成電壓頻率配置表；基于所述電壓頻率配置表對(duì)所述微處理器的主頻和電壓進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)調(diào)整后的所述主頻和所述電壓通過(guò)校驗(yàn)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果；在所述測(cè)試結(jié)果表征測(cè)試合格的情況下，應(yīng)用調(diào)整后的所述主頻和所述電壓。

9、結(jié)合第二方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述初始測(cè)量參數(shù)集包括所述微處理器的初始電壓、初始溫度和初始硅器件時(shí)延；所述根據(jù)所述配置模式和所述初始測(cè)量參數(shù)集生成初始電壓頻率表，包括：讀取所述配置模式對(duì)應(yīng)的主頻；確定所述微處理器的電壓和頻率的關(guān)系曲線，并根據(jù)所述初始硅器件時(shí)延對(duì)所述關(guān)系曲線進(jìn)行調(diào)整，得到優(yōu)化后的電壓和優(yōu)化后的關(guān)系曲線；根據(jù)所述初始溫度和優(yōu)化后的所述關(guān)系曲線，建立溫度補(bǔ)償模型；將讀取到的所述主頻代入所述溫度補(bǔ)償模型中，計(jì)算出在所述主頻下所述微處理器所需的電壓值；將所述主頻及所述主頻對(duì)應(yīng)的電壓值添加到預(yù)先構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，形成初始電壓頻率表。

10、結(jié)合第二方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述當(dāng)前測(cè)量參數(shù)集包括所述微處理器的當(dāng)前電壓、當(dāng)前溫度和當(dāng)前硅器件時(shí)延；所述根據(jù)所述性能電壓相關(guān)系數(shù)β、所述性能溫度相關(guān)系數(shù)γ、所述初始測(cè)量參數(shù)集和所述當(dāng)前測(cè)量參數(shù)集，計(jì)算得到性能折損因子，包括：根據(jù)所述性能電壓相關(guān)系數(shù)β、所述初始電壓和所述當(dāng)前電壓，計(jì)算得到電壓性能；根據(jù)所述性能溫度相關(guān)系數(shù)γ、所述初始溫度和所述當(dāng)前溫度，計(jì)算得到溫度性能；根據(jù)所述電壓性能、所述溫度性能、所述當(dāng)前硅器件時(shí)延和所述初始硅器件時(shí)延，計(jì)算得到性能折損因子。

11、結(jié)合第二方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述對(duì)調(diào)整后的所述主頻和所述電壓進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果，包括：監(jiān)測(cè)所述微處理器內(nèi)部硅器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)，根據(jù)所述關(guān)鍵性能指標(biāo)確認(rèn)硅器件基于所述電壓頻率配置表的工作狀態(tài)，得到測(cè)試結(jié)果。

12、結(jié)合第二方面，在本技術(shù)一實(shí)施例中，所述方法還包括：在所述測(cè)試結(jié)果表征測(cè)試不合格的情況下，對(duì)所述電壓頻率配置表的電壓等級(jí)進(jìn)行升級(jí)處理以及自檢，當(dāng)自檢結(jié)果表示不通過(guò)，則向所述微處理器發(fā)送中斷請(qǐng)求。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)實(shí)施例的有益效果在于：通過(guò)各模塊協(xié)同，依據(jù)微處理器參數(shù)精準(zhǔn)計(jì)算性能折損因子，實(shí)時(shí)適配電壓頻率調(diào)度策略。用戶(hù)可根據(jù)不同場(chǎng)景靈活調(diào)用配置模式，在低算力場(chǎng)景下，降低微處理器工作電壓，有效減緩芯片應(yīng)力退化；在高算力場(chǎng)景中，合理提高工作電壓及主頻，使帶浮點(diǎn)擴(kuò)展指令集的中央處理器能夠完成傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)（digital?signal?processor，dsp）處理器的復(fù)雜運(yùn)算任務(wù)。這種方式突破了傳統(tǒng)策略對(duì)主頻提升的限制，即便在極端工控環(huán)境下芯片性能出現(xiàn)退化也能良好適應(yīng)。同時(shí)，無(wú)需復(fù)雜調(diào)度軟件，僅依靠硬件化的各模塊配合即可完成調(diào)頻調(diào)壓。在調(diào)頻調(diào)壓前，兩種模式均會(huì)進(jìn)行在線檢驗(yàn)，確保調(diào)整的合理性與安全性，大大提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，這使得微處理器在不依賴(lài)先進(jìn)制程的情況下，也能利用浮點(diǎn)指令實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算，提升數(shù)據(jù)處理能力。