一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，包括以下步驟：首先以功能模塊為單位，根據(jù)其是否具備調(diào)頻能力將其劃入調(diào)頻區(qū)域或非調(diào)頻區(qū)域；其次設(shè)計跨時鐘域接口完成調(diào)頻模塊間以及調(diào)頻模塊和非調(diào)頻模塊間異步時鐘通信；最后，頻率仲裁器根據(jù)跨時鐘域接口的使用情況和多閾值調(diào)頻策略做出調(diào)頻決定，并發(fā)出對應(yīng)的時鐘信號或控制信號實(shí)現(xiàn)頻率切換。該方法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部功能模塊工作頻率，在不影響用戶使用體驗(yàn)的前提下大大降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的用電量，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適用性好，能夠滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、設(shè)備商和用戶對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能減排的需求，經(jīng)濟(jì)效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。
【專利說明】一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，特別涉及一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著用戶數(shù)量和帶寬需求的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)電能開支及其相應(yīng)碳排放量也迅速增加。據(jù)估計，2008年中國三大電信運(yùn)營商消耗了 241億度電，當(dāng)年電費(fèi)開支高達(dá)121億元人民幣，并且以每年5%的速度增長。如此嚴(yán)峻的能耗現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢很大程度是由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的大規(guī)模部署。GeSI機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，互聯(lián)網(wǎng)中部署的路由器在2002年已達(dá)6700萬臺，并將在2020年達(dá)到8.98億臺?？紤]到由數(shù)量快速增加所帶來的運(yùn)營(電能)成本及環(huán)境代價，能耗將成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的提供商以及服務(wù)提供商需要面對的重要問題。
[0003]事實(shí)上，為了應(yīng)對極少出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)流量高峰及不可預(yù)知的設(shè)備損壞，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常通過超額配置設(shè)備性能來保障數(shù)據(jù)通信和服務(wù)質(zhì)量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗虛高、設(shè)備利用率普遍較低等問題。由CAIDA發(fā)布的路由器使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，互聯(lián)網(wǎng)路由器平均利用率絕大多數(shù)時間低于30%，并且極少超過50%。此外，網(wǎng)絡(luò)中的一些關(guān)鍵系統(tǒng)(如網(wǎng)關(guān)、域名系統(tǒng)等)通常配置雙機(jī)熱備，備份機(jī)大部分時間處于空閑，白白浪費(fèi)電能。如何在不影響用戶體驗(yàn)的前提下，盡量降低網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備的功耗成為下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須解決的問題之一。
[0004]針對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀，端口休眠、緩存調(diào)節(jié)、節(jié)能組網(wǎng)等節(jié)能技術(shù)先后被提出，通過動態(tài)關(guān)閉空閑模塊的方式減少設(shè)備過剩處理能力、降低系統(tǒng)能耗。然而，上述方法節(jié)能潛力較小(只能覆蓋端口、存儲器，其總能耗僅占全部能耗的10%不到)，且不適用于較高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如，骨干網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等網(wǎng)絡(luò)利用率通常處于30% -50%，如果采用端口休眠的方法節(jié)能，可能會造成端口狀態(tài)頻繁切換的情況(休眠或工作)，嚴(yán)重影響其節(jié)能效果。
[0005]針對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能技術(shù)節(jié)能潛力有限、不適用于較高利用率網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的情況，調(diào)節(jié)芯片頻率的方法以其節(jié)能潛力大、適合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)成為降低設(shè)備功耗的重要方法。理論上來說，芯片工作頻率是調(diào)節(jié)其處理能力和功耗的杠桿:工作頻率越高，處理性能就越高，相應(yīng)功耗就越大；工作頻率越低，則處理性能就越低，功耗也降低。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備普遍利用率不足的情況下，通過調(diào)節(jié)芯片的工作頻率，系統(tǒng)有潛力達(dá)到利用率與功耗的平衡點(diǎn):滿足了用戶網(wǎng)絡(luò)需求同時盡量降低能耗。然而，目前業(yè)界尚未有相關(guān)技術(shù)。如何能夠?qū)⒄{(diào)頻的方法與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相結(jié)合，使其能夠具有高效的調(diào)頻降耗能力是亟待解決的重要問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能技術(shù)節(jié)能潛力有限、不適用于較高利用率網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的問題，提出了一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，滿足用戶使用體驗(yàn)的情況下盡量降低能耗。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、劃分調(diào)頻區(qū)域:
[0010]以功能模塊為單位，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的功能模塊進(jìn)行劃分，將可以進(jìn)行調(diào)頻設(shè)置的功能模塊稱為調(diào)頻模塊，所有調(diào)頻模塊組成調(diào)頻區(qū)域，調(diào)頻區(qū)域支持多種頻率；將不可以進(jìn)行調(diào)頻設(shè)置的功能模塊稱為非調(diào)頻模塊，所有非調(diào)頻模塊組成非調(diào)頻區(qū)域；各功能模塊之間信號傳遞以數(shù)據(jù)包為基本單位，符合松耦合設(shè)計的原則；
[0011]步驟二、實(shí)現(xiàn)異步時鐘通信:
[0012]異步時鐘通信由跨時鐘域接口完成，跨時鐘域接口包括輸入處理模塊、異步隊(duì)列和輸出處理模塊；跨時鐘域接口與具有不同時鐘信號的功能模塊直接相連，在其間中繼數(shù)據(jù)包，具備緩存數(shù)據(jù)功能；跨時鐘接口的輸入/輸出處理模塊分別與直連的功能模塊始終工作在相同頻率；切換頻率時，頻率仲裁器對目標(biāo)調(diào)頻模塊及與其直連的輸入/輸出處理模塊的時鐘同時進(jìn)行修改，完成調(diào)頻；
[0013]步驟三、實(shí)現(xiàn)頻率仲裁器調(diào)頻:
[0014]頻率仲裁器完成以下工作:時鐘信號生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和頻率切換；
[0015]時鐘信號生成:接收晶振產(chǎn)生的原始時鐘信號并輸入至內(nèi)部數(shù)字時鐘分頻器，將原始時鐘信號轉(zhuǎn)換成多組高精度、不同頻率的時鐘信號作為調(diào)頻選項(xiàng)；
[0016]系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控:通過查看各個跨時鐘域接口的異步隊(duì)列占用率獲得當(dāng)前流量負(fù)載情況，并根據(jù)流量負(fù)載情況調(diào)節(jié)模塊頻率；
[0017]頻率切換:接收由系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控發(fā)出的調(diào)節(jié)模塊頻率命令，將備選時鐘信號通過低延時、低抖動的時鐘信號線傳遞到目標(biāo)調(diào)頻模塊和與其直連的跨時鐘域接口輸入或輸出處理模塊。
[0018]所述跨時鐘域接口，可以分為獨(dú)立型與模塊嵌入型兩種，其具體內(nèi)容如下:
[0019]獨(dú)立型跨時鐘域接口使用單獨(dú)的電路模塊實(shí)現(xiàn)，其異步隊(duì)列兩端分別與數(shù)據(jù)上下游直連功能模塊處于相同的工作頻率，且支持較為廣泛的調(diào)頻選擇；獨(dú)立型跨時鐘域接口向頻率仲裁器匯報接口使用情況即異步隊(duì)列占用率以供后者進(jìn)行調(diào)頻決策；獨(dú)立型跨時鐘域接口可以獨(dú)立于特定功能模塊，采用通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計；
[0020]模塊嵌入型跨時鐘域接口在可調(diào)頻模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可以作為調(diào)頻模塊內(nèi)部芯片的一部分；同獨(dú)立型跨時鐘域接口一樣，其異步隊(duì)列兩端分別與數(shù)據(jù)上下游直連的功能模塊處于相同的工作頻率，并且向頻率仲裁器匯報接口使用情況即異步隊(duì)列占用率；不同點(diǎn)在于，模塊嵌入型跨時鐘域接口與特定調(diào)頻模塊相適應(yīng)，具有較高的專用性，可以根據(jù)模塊特性進(jìn)行優(yōu)化。
[0021]所述頻率仲裁器調(diào)頻，包括流量感知方法、多閾值調(diào)頻策略和頻率仲裁器配置方法三部分內(nèi)容:
[0022]流量感知方法:跨時鐘域接口的異步隊(duì)列占用率可以作為調(diào)頻指示器，感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與數(shù)據(jù)下游系統(tǒng)處理能力的匹配情況:異步隊(duì)列占用率升高表明接口下游模塊處理速度低于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，反之則表明下游模塊有進(jìn)一步降低頻率的潛力；
[0023]多閾值調(diào)頻策略:包括逐級調(diào)節(jié)和快速切換兩部分，分別通過檢查三個閾值Thigh、Tlmt和Tttjp進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；通過設(shè)定閾值Thigh和閾值T1ot進(jìn)行逐級切換以保證系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)的時間，即當(dāng)跨時鐘域接口中的異步隊(duì)列占用率高于閾值Thigh(低于閾值T1ot)時，頻率仲裁器將跨時鐘域接口的數(shù)據(jù)下游一側(cè)功能模塊頻率調(diào)高(低)一級；通過閾值Ttop進(jìn)行快速切換以減少流量延遲和包丟失，即無論何時只要異步隊(duì)列占用率高于閾值Τ_，則立即切換數(shù)據(jù)下游一側(cè)功能模塊頻率至最高頻率狀態(tài)；
[0024]頻率仲裁器配置方法:按照位置區(qū)分，頻率仲裁器具有兩種配置方式:集中式仲裁方式和分布式仲裁方式，其可以與前面所述兩類跨時鐘域接口結(jié)合使用；
[0025]集中式仲裁方式要求所有調(diào)頻模塊的使用信息都匯總到獨(dú)立的頻率仲裁器，并由后者進(jìn)行調(diào)頻決策；根據(jù)系統(tǒng)生成的時鐘信號，各個調(diào)頻模塊的頻率可以由統(tǒng)一的頻率仲裁器提供，也可以在調(diào)頻模塊內(nèi)部生成并提供相關(guān)控制信號給頻率仲裁器，由頻率仲裁器進(jìn)行統(tǒng)一管理；
[0026]分布式仲裁方式要求每個調(diào)頻模塊設(shè)置本地的頻率仲裁器，負(fù)責(zé)本模塊調(diào)頻決策以及目標(biāo)頻率生成，即分布式仲裁方式中各個調(diào)頻模塊具有自主調(diào)頻功能。
[0027]有益效果
[0028]本發(fā)明方法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部功能模塊工作頻率，在不影響用戶使用體驗(yàn)的前提下大大降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的用電量，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適用性好，能夠滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、設(shè)備商和用戶對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能減排的需求，經(jīng)濟(jì)效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明方法在路由器上的應(yīng)用實(shí)例示意圖，該實(shí)施例采用獨(dú)立型跨時鐘域接口，集中式仲裁方式。
[0030]圖2是獨(dú)立型跨時鐘域接口結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖3是多閾值調(diào)頻策略不意圖。
[0032]圖4是本實(shí)施例采用獨(dú)立型跨時鐘域接口，集中式仲裁方式結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向示意圖。
[0033]圖5是本實(shí)施例采用嵌入型跨時鐘域接口，集中式仲裁方式結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向示意圖。
[0034]圖6是本實(shí)施例采用獨(dú)立型跨時鐘域接口，分布式仲裁方式結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向示意圖。
[0035]圖7是本實(shí)施例采用嵌入型跨時鐘域接口，分布式仲裁方式結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向示意圖。
[0036]圖8是本實(shí)施例在六十分鐘測試的節(jié)能情況。

【具體實(shí)施方式】
[0037]本發(fā)明方法提出了一個適用于各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)頻架構(gòu)，其允許內(nèi)部各個功能模塊(調(diào)頻區(qū)域)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)調(diào)節(jié)自身工作頻率，以達(dá)到動態(tài)降低功耗的目的?？偟脕砜?，本發(fā)明方法提出的調(diào)頻架構(gòu)主要由調(diào)頻區(qū)域劃分方法、異步時鐘區(qū)域通信和流量感知及調(diào)頻策略組成。首先，為了最大化調(diào)頻范圍的同時保證系統(tǒng)正常工作，本發(fā)明方法提出的調(diào)頻區(qū)域劃分策略可以覆蓋除網(wǎng)口外的其他所有核心功能模塊，調(diào)頻范圍內(nèi)能耗占網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總能耗的60%以上，僅電源、網(wǎng)口等少數(shù)模塊不支持調(diào)頻降耗。其次，本發(fā)明方法提出了一個異步時鐘接口，保證異步時鐘區(qū)域之間的通信且能夠感知模塊當(dāng)前處理性能(工作頻率)與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的匹配情況。最后，為了在不影響用戶體驗(yàn)的前提下最大化節(jié)能效果，設(shè)計了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)節(jié)頻率的策略。
[0038]下面以目前常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備——路由器為例介紹本發(fā)明方法的應(yīng)用。
[0039]現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由相對獨(dú)立的功能模塊組成，如圖1中路由器的網(wǎng)口、轉(zhuǎn)發(fā)、交換、路由等模塊。這些模塊有的可以支持多個頻率(取決于通信協(xié)議與規(guī)范)，有的囿于通信協(xié)議只能工作在固定頻率(網(wǎng)口)。本發(fā)明首先提出以功能模塊為單位，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的模塊分為調(diào)頻模塊與非調(diào)頻模塊，其中所有調(diào)頻模塊構(gòu)成調(diào)頻區(qū)域，調(diào)頻區(qū)域支持多種頻率，是節(jié)能降耗的源頭。從節(jié)能潛力來看，調(diào)頻區(qū)域基本涵蓋了支持調(diào)頻的所有路由器模塊，其電能開支比例約占總耗電量的60%左右，端口、電源模塊和散熱系統(tǒng)消耗了剩余部分，不支持調(diào)頻降耗。此外，功能模塊之間信號傳遞往往以數(shù)據(jù)包為基本單位，通信機(jī)制較為簡單，符合松耦合設(shè)計的原則。
[0040]為了解決異步時鐘功能模塊之間的通信問題，本發(fā)明方法提出異步時鐘通信機(jī)制，其可以在不同時鐘頻率區(qū)域之間中繼數(shù)據(jù)包，還可以緩存數(shù)據(jù)以提高調(diào)頻降耗效率。本質(zhì)來看，異步時鐘接口是一個基于異步隊(duì)列的高速模塊，如圖2所示。傳輸數(shù)據(jù)時，跨時鐘接口的輸入/輸出處理模塊與其直連的調(diào)頻區(qū)域工作在同一頻率，保證異步隊(duì)列讀寫的正確性。切換頻率時，頻率仲裁器將目標(biāo)調(diào)頻模塊與直連輸入/輸出處理模塊的時鐘同時進(jìn)行修改，以保證接口對應(yīng)端與其直連模塊始終保持同步。除了中繼異步時鐘信號外，跨時鐘域接口還具有下述特點(diǎn)。首先，跨時鐘域接口的異步隊(duì)列占用率可以作為調(diào)頻指示器，感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與數(shù)據(jù)出口調(diào)頻模塊處理能力的匹配情況:異步隊(duì)列占用率升高表明數(shù)據(jù)下游模塊處理數(shù)據(jù)包的速度(頻率)低于數(shù)據(jù)包到來的速度；反之則表明數(shù)據(jù)下游模塊有進(jìn)一步降低頻率(節(jié)能)的潛力。通過異步隊(duì)列占用率來感知負(fù)載還可以預(yù)示負(fù)載與系統(tǒng)處理能力的匹配情況。其次，由于使用了異步隊(duì)列，跨時鐘域接口進(jìn)一步集中了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)(設(shè)備空閑時間)，本質(zhì)上是對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量模式的優(yōu)化，增加了節(jié)能潛力。此外，同休眠方法相t匕，由于可調(diào)頻模塊始終處于工作狀態(tài)，其可以保障最大數(shù)據(jù)包延遲時間。
[0041]頻率仲裁器主要用于承擔(dān)時鐘信號生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和頻率切換工作。作為時鐘信號生成以及管理者，頻率仲裁器接收晶振產(chǎn)生的原始時鐘信號并輸入至內(nèi)部數(shù)字時鐘分頻器，將原始時鐘信號轉(zhuǎn)換成多組高精度、不同頻率的時鐘信號作為調(diào)頻選項(xiàng)。這些備選時鐘信號通過選擇器進(jìn)行選擇后，由低延時、低抖動的時鐘信號線傳遞到調(diào)頻模塊。
[0042]從頻率仲裁器的配置方式來看，可以分為集中式仲裁與分布式仲裁兩種方式。前者采用集中式頻率仲裁器，其要求調(diào)頻模塊使用頻率仲裁器輸入的時鐘信號，并且要求跨時鐘域接口匯報異步隊(duì)列占用率使用情況。集中式仲裁的優(yōu)點(diǎn)在于其不需要對各個調(diào)頻模塊進(jìn)行較大修改，且可以從全局的角度系統(tǒng)的規(guī)劃調(diào)頻方針與策略。分布式仲裁將時鐘信號生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和頻率切換工作分散到各個模塊內(nèi)部。由于模塊內(nèi)部可以決定自己的頻率，所以不需要專門的軟、硬件負(fù)責(zé)調(diào)頻，電路規(guī)劃、調(diào)頻接口的匹配方式更加靈活、有針對性，更符合模塊化設(shè)計方針。根據(jù)跨時鐘域接口的部署，分布式仲裁方式具有兩種實(shí)施方案。
[0043]本發(fā)明方法設(shè)計了一個簡單有效的三閾值策略指導(dǎo)調(diào)頻，其主要目標(biāo)是在滿足網(wǎng)絡(luò)流量需求的前提下，盡量使系統(tǒng)工作在較低的頻率(能量)狀態(tài)，并且避免工作頻率的頻繁切換。如圖3所示，三閾值調(diào)頻策略采用逐級跳轉(zhuǎn)和快速切換相結(jié)合的方法:通過設(shè)定閾值Thigh和閾值T1ot進(jìn)行逐級切換以保證系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)的時間，即當(dāng)跨時鐘域接口中的異步隊(duì)列占用率高于Thigh閾值(或低于閾值T1ot)時，頻率仲裁器將接口右側(cè)區(qū)域(數(shù)據(jù)出口)的頻率調(diào)高(低)一級；通過閾值Tttjp進(jìn)行快速切換以減少流量延遲和包丟失，即無論何時只要跨時鐘域接口的異步隊(duì)列占用率高于閾值Ttop，則立即將接口右側(cè)區(qū)域(數(shù)據(jù)出口)的頻率切換至最高頻率狀態(tài)。只要保證頻率直接切換至最高頻率時間到來的數(shù)據(jù)包可以被容納至異步隊(duì)列中，即異步隊(duì)列總?cè)萘颗c閾值Τ_的差值足夠大，本發(fā)明方法提出的策略就可以從理論上排除數(shù)據(jù)包丟失的可能。此外，為了減少頻率切換次數(shù)并降低數(shù)據(jù)延遲，系統(tǒng)在逐級切換時應(yīng)當(dāng)至少保持在該狀態(tài)一段時間(冷卻時間)以防止頻率頻繁切換。通過調(diào)整冷卻時間，系統(tǒng)可以對頻率調(diào)節(jié)的時間顆粒度進(jìn)行控制以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境。例如小型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)突發(fā)情況頻繁，較小的冷卻時間可以更快適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸變化。再如切換的時間和功耗成本可以忽略不計，則應(yīng)當(dāng)采用小冷卻時間；否則最好選取較大的異步隊(duì)列緩存和冷卻時間。
[0044]下面以調(diào)頻路由器為例說明如何使用本發(fā)明方法，其系統(tǒng)劃分如圖1所示，包括頻率仲裁器、網(wǎng)口、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、交換模塊、路由模塊以及多個跨時鐘域接口，其中頻率仲裁器可以通過單獨(dú)芯片或主控芯片中模塊的形式實(shí)現(xiàn)，調(diào)頻區(qū)域包括轉(zhuǎn)發(fā)模塊、交換模塊、路由模塊，非調(diào)頻區(qū)域包括網(wǎng)口。調(diào)頻路由器啟動時，所有調(diào)頻區(qū)域功能模塊默認(rèn)進(jìn)入最高頻率工作。經(jīng)過一個冷卻時間，如果跨時鐘域接口中的異步隊(duì)列占用率小于下調(diào)閾值，則將其對應(yīng)調(diào)頻模塊頻率調(diào)低一個級別；否則保持當(dāng)前頻率。根據(jù)本發(fā)明提出的策略，各個模塊的頻率應(yīng)當(dāng)保持在與當(dāng)前負(fù)載相適應(yīng)的水平。按照家用路由器的使用情況(流量水平不到其處理能力的10% )，調(diào)頻路由器可以長期工作在低頻狀態(tài)，能夠節(jié)約大量電能。
[0045]下面分別對集中式仲裁方式和分布式仲裁方式舉例進(jìn)行說明:
[0046](—)、集中式仲裁
[0047]集中式仲裁方式要求所有調(diào)頻模塊的使用信息都匯總到獨(dú)立的仲裁器，并由后者進(jìn)行調(diào)頻決策。根據(jù)生成時鐘信號的位置，各個調(diào)頻模塊的頻率可以由統(tǒng)一的頻率仲裁器提供，也可以在調(diào)頻模塊內(nèi)部生成并提供相關(guān)控制信號進(jìn)行統(tǒng)一管理。本方案【具體實(shí)施方式】如下:
[0048]首先，針對特定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，按照本發(fā)明提出的原則劃分調(diào)頻區(qū)域與非調(diào)頻區(qū)域。在調(diào)頻區(qū)域內(nèi)，使用頻率范圍支持較為廣泛的器件以增加頻率調(diào)節(jié)范圍。如果采用頻率仲裁器提供的時鐘信號，各個模塊不需要做額外改動；如果采用模塊內(nèi)時鐘信號，則應(yīng)提供頻率選擇接口給仲裁器，并根據(jù)仲裁器信號隨時切換頻率。
[0049]其次，調(diào)頻模塊與調(diào)頻模塊、調(diào)頻模塊與非調(diào)頻模塊之間通過跨時鐘域接口進(jìn)行連接?？鐣r鐘域接口可以單獨(dú)邏輯芯片或可編程模塊的形式出現(xiàn)?？鐣r鐘域接口應(yīng)當(dāng)與頻率仲裁器直接相連，并通過寄存器信號讀寫的方式匯報當(dāng)前模塊處理速度與負(fù)載的匹配情況。
[0050]最后，集中式頻率仲裁器可以使用硬件芯片的方式實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件模塊加硬件頻率控制電路的方式實(shí)現(xiàn)(如果調(diào)頻模塊內(nèi)部可以產(chǎn)生待選頻率，則只需要基本控制電路即可)。以路由器為例，頻率仲裁器可以作為路由器操作系統(tǒng)的一個模塊，配合額外的頻率產(chǎn)生/控制器發(fā)送合適的時鐘信號到各個調(diào)頻模塊。頻率仲裁器根據(jù)多閾值調(diào)頻策略和各個跨時鐘域中異步隊(duì)列的使用情況調(diào)節(jié)頻率并最終達(dá)到智能節(jié)能的目的。
[0051]圖4和圖5分別示意了集中式仲裁方式下分別采用獨(dú)立型跨時鐘域接口和嵌入式跨時鐘域接口的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)流向示意圖。
[0052](二)、分布式仲裁
[0053]分布式仲裁方式要求每個功能模塊設(shè)置本地的頻率仲裁器，負(fù)責(zé)本模塊待選頻率生成和調(diào)頻決策。換句話說，分布式仲裁實(shí)施方式中各個調(diào)頻模塊具有自主調(diào)頻功能。根據(jù)跨時鐘域接口的分布位置具有兩種實(shí)施方法:獨(dú)立型跨時鐘域接口和嵌入式跨時鐘域接口。本方案【具體實(shí)施方式】如下。
[0054]首先，針對特定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，按照本發(fā)明提出的原則劃分調(diào)頻區(qū)域與非調(diào)頻區(qū)域。在調(diào)頻區(qū)域內(nèi)，使用頻率范圍支持較為廣泛的器件以增加頻率調(diào)節(jié)范圍。具體調(diào)頻決策和待選頻率產(chǎn)生可以通過FPGA等芯片完成，具有較低的成本、較高的靈活度。
[0055]其次，調(diào)頻模塊與調(diào)頻模塊、調(diào)頻模塊與非調(diào)頻模塊之間通過跨時鐘域接口進(jìn)行連接?？鐣r鐘域接口可以單獨(dú)邏輯芯片或可編程模塊的形式出現(xiàn)，也可以在調(diào)頻模塊內(nèi)本地頻率仲裁器中(FPGA或ASIC)通過芯片資源的形式實(shí)現(xiàn)。前者符合模塊化設(shè)計原則，減少模塊的耦合性；后者可以簡化電路，降低實(shí)施難度。使用分布式仲裁、將跨時鐘域接口納入本地仲裁器的實(shí)施方式對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計與實(shí)施要求較低，基本不需要更改板卡設(shè)計電路圖(要求模塊內(nèi)設(shè)計更新)即可實(shí)現(xiàn)。
[0056]最后，分布式仲裁方式中，每個調(diào)頻模塊的頻率仲裁器可以使用硬件芯片的方式實(shí)現(xiàn),也可以通過軟件模塊加硬件頻率控制電路的方式實(shí)現(xiàn)(如果調(diào)頻模塊內(nèi)部可以產(chǎn)生待選頻率，則只需要基本控制電路即可)。以路由器為例，頻率仲裁器可以作為路由器操作系統(tǒng)的一個模塊，配合額外的頻率產(chǎn)生/控制器發(fā)送合適的時鐘信號到各個調(diào)頻區(qū)域。頻率仲裁器根據(jù)多閾值調(diào)頻策略和各個異步時鐘接口的使用情況調(diào)節(jié)頻率并最終達(dá)到智能節(jié)能的目的。
[0057]圖6和圖7分別示意了分布式仲裁方式下分別采用獨(dú)立型跨時鐘域接口和嵌入式跨時鐘域接口的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)流向示意圖。
[0058]由上可見，本發(fā)明方法申請保護(hù)的通過調(diào)節(jié)芯片頻率降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)，適用于各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)頻架構(gòu)，允許內(nèi)部各個模塊(調(diào)頻區(qū)域)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)調(diào)節(jié)自身工作頻率，以達(dá)到動態(tài)降低功耗的目的，具有調(diào)頻潛力大、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在保證了用戶正常使用網(wǎng)絡(luò)的同時，又兼顧低能耗，是一種符合當(dāng)代節(jié)能減排精神的發(fā)明。從基于NetFPGA的原型系統(tǒng)及軟件模型的實(shí)驗(yàn)來看，調(diào)頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)的六十分鐘內(nèi)，其電能消耗是不調(diào)頻的60% -80%，如圖8所示，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0059]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、劃分調(diào)頻區(qū)域: 以功能模塊為單位，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的功能模塊進(jìn)行劃分，將可以進(jìn)行調(diào)頻設(shè)置的功能模塊稱為調(diào)頻模塊，所有調(diào)頻模塊組成調(diào)頻區(qū)域，調(diào)頻區(qū)域支持多種頻率；將不可以進(jìn)行調(diào)頻設(shè)置的功能模塊稱為非調(diào)頻模塊，所有非調(diào)頻模塊組成非調(diào)頻區(qū)域；各功能模塊之間信號傳遞以數(shù)據(jù)包為基本單位，符合松耦合設(shè)計的原則； 步驟2、實(shí)現(xiàn)異步時鐘通信: 異步時鐘通信由跨時鐘域接口完成，跨時鐘域接口包括輸入處理模塊、異步隊(duì)列和輸出處理模塊；跨時鐘域接口與具有不同時鐘信號的功能模塊直接相連，在其間中繼數(shù)據(jù)包，具備緩存數(shù)據(jù)功能；跨時鐘接口的輸入/輸出處理模塊分別與直連的功能模塊始終工作在相同頻率；切換頻率時，頻率仲裁器對目標(biāo)調(diào)頻模塊及與其直連的輸入/輸出處理模塊的時鐘同時進(jìn)行修改,完成調(diào)頻； 步驟3、實(shí)現(xiàn)頻率仲裁器調(diào)頻: 頻率仲裁器完成以下工作:時鐘信號生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和頻率切換； 時鐘信號生成:接收晶振產(chǎn)生的原始時鐘信號并輸入至內(nèi)部數(shù)字時鐘分頻器，將原始時鐘信號轉(zhuǎn)換成多組高精度、不同頻率的時鐘信號作為調(diào)頻選項(xiàng)； 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控:通過查看各個跨時鐘域接口的異步隊(duì)列占用率獲得當(dāng)前流量負(fù)載情況，并根據(jù)流量負(fù)載情 況調(diào)節(jié)模塊頻率； 頻率切換:接收由系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控發(fā)出的調(diào)節(jié)模塊頻率命令，將備選時鐘信號通過低延時、低抖動的時鐘信號線傳遞到目標(biāo)調(diào)頻模塊和與其直連的跨時鐘域接口輸入或輸出處理模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，其特征在于，所述跨時鐘域接口，可以分為獨(dú)立型與模塊嵌入型兩種，其具體內(nèi)容如下: 獨(dú)立型跨時鐘域接口使用單獨(dú)的電路模塊實(shí)現(xiàn)，其異步隊(duì)列兩端分別與數(shù)據(jù)上下游直連功能模塊處于相同的工作頻率，且支持較為廣泛的調(diào)頻選擇；獨(dú)立型跨時鐘域接口向頻率仲裁器匯報接口使用情況即異步隊(duì)列占用率以供后者進(jìn)行調(diào)頻決策；獨(dú)立型跨時鐘域接口可以獨(dú)立于特定功能模塊，采用通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計； 模塊嵌入型跨時鐘域接口在可調(diào)頻模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可以作為調(diào)頻模塊內(nèi)部芯片的一部分；同獨(dú)立型跨時鐘域接口一樣，其異步隊(duì)列兩端分別與數(shù)據(jù)上下游直連的功能模塊處于相同的工作頻率，并且向頻率仲裁器匯報接口使用情況即異步隊(duì)列占用率；不同點(diǎn)在于，模塊嵌入型跨時鐘域接口與特定調(diào)頻模塊相適應(yīng)，具有較高的專用性，可以根據(jù)模塊特性進(jìn)行優(yōu)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持調(diào)頻降耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能方法，其特征在于，所述頻率仲裁器調(diào)頻，包括流量感知方法、多閾值調(diào)頻策略和頻率仲裁器配置方法三部分內(nèi)容: 流量感知方法:跨時鐘域接口的異步隊(duì)列占用率可以作為調(diào)頻指示器，感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與數(shù)據(jù)下游系統(tǒng)處理能力的匹配情況:異步隊(duì)列占用率升高表明接口下游模塊處理速度低于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，反之則表明下游模塊有進(jìn)一步降低頻率的潛力； 多閾值調(diào)頻策略:包括逐級調(diào)節(jié)和快速切換兩部分，分別通過檢查三個閾值Thigh、Tlow和τ_進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；通過設(shè)定閾值Thigh和閾值Tlw進(jìn)行逐級切換以保證系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)的時間，即當(dāng)跨時鐘域接口中的異步隊(duì)列占用率高于閾值Thigh(低于閾值T1ot)時，頻率仲裁器將跨時鐘域接口的數(shù)據(jù)下游一側(cè)功能模塊頻率調(diào)高(低)一級；通過閾值Τ_進(jìn)行快速切換以減少流量延遲和包丟失，即無論何時只要異步隊(duì)列占用率高于閾值Τ_，則立即切換數(shù)據(jù)下游一側(cè)功能模塊頻率至最高頻率狀態(tài)； 頻率仲裁器配置方法:按照位置區(qū)分，頻率仲裁器具有兩種配置方式:集中式仲裁方式和分布式仲裁方式，其可以與前面所述兩類跨時鐘域接口結(jié)合使用: 集中式仲裁方式要求所有調(diào)頻模塊的使用信息都匯總到獨(dú)立的頻率仲裁器，并由后者進(jìn)行調(diào)頻決策；根據(jù)系統(tǒng)生成的時鐘信號，各個調(diào)頻模塊的頻率可以由統(tǒng)一的頻率仲裁器提供，也可以在調(diào)頻模塊內(nèi)部生成并提供相關(guān)控制信號給頻率仲裁器，由頻率仲裁器進(jìn)行統(tǒng)一管理； 分布式仲裁方式要求每個調(diào)頻模塊設(shè)置本地的頻率仲裁器，負(fù)責(zé)本模塊調(diào)頻決策以及目標(biāo)頻率生成，即分布式仲裁方式中各個調(diào)頻模塊具有自主調(diào)頻功能。
【文檔編號】H04L7/00GK104052619SQ201410190774
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】郭平, 付文亮 申請人:北京理工大學(xué)