本文的實(shí)施例涉及處理器，并且更具體地涉及片上溫度傳感器的實(shí)現(xiàn)。

背景技術(shù)：

高端微處理器芯片的性能已經(jīng)逐年增加，并且當(dāng)考慮未來(lái)的芯片設(shè)計(jì)時(shí)，它們的性能將繼續(xù)增加。一般來(lái)說(shuō)，微處理器的性能提升可以與更高的時(shí)鐘頻率(即，更短的時(shí)鐘周期)和更小型的制造技術(shù)相關(guān)聯(lián)，其中更高的時(shí)鐘頻率允許在給定時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行更多的指令，更小型的制造技術(shù)允許將更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)到芯片的給定區(qū)域(即，更高密度的電路)，從而允許更多的功能。但是，處理器頻率和電路密度的這些增加可能包括功耗的增加并且因此可能增加芯片溫度和芯片內(nèi)部的溫度變化。

在具有跨芯片溫度變化的高溫下工作的微處理器可能經(jīng)歷各種問(wèn)題，諸如例如，性能降級(jí)、泄漏功率增加、可靠性降低、功能故障等。因此，可能需要在微處理器芯片設(shè)計(jì)期間正確地處理熱學(xué)考慮。獲得溫度信息的一種方法可以是將熱二極管放置在芯片上的多個(gè)位置處。但是，這種方法可能需要許多專用于操作二極管的外部引腳，并且還可能需要外部配套芯片來(lái)讀取由每一個(gè)熱二極管生成的溫度信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開(kāi)了用于溫度感測(cè)裝置的系統(tǒng)和方法的各種實(shí)施例。該裝置可以包括電壓發(fā)生器和電路系統(tǒng)。電壓發(fā)生器可以被配置成取決于工作溫度生成第一電壓電平和第二電壓電平。響應(yīng)于工作溫度的給定改變，第一電壓電平和第二電壓電平可以分別改變第一量和第二量，其中第二量可以與第一量不同。電壓發(fā)生器可以被配置成生成第三電壓電平，其中響應(yīng)于工作溫度的給定改變，第三電壓電平可以改變第三量，并且其中第三量小于第一量和第二量。電路系統(tǒng)可以被配置成測(cè)量第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平，并且可以被配置成取決于第一電壓電平與第二電壓電平之間的差和第三電壓電平的比率來(lái)計(jì)算工作溫度。

在另一種實(shí)施例中，為了測(cè)量第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平，電路系統(tǒng)可以被配置成測(cè)量電容器分別充電到第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平中的每一個(gè)的時(shí)間。在另一種實(shí)施例中，為了測(cè)量第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平，電路系統(tǒng)還可以被配置成一次一個(gè)地選擇第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平中的每一個(gè)并且測(cè)量所選擇的電壓電平。

在一種實(shí)施例中，電壓發(fā)生器還可以被配置成隨著工作溫度的對(duì)應(yīng)改變線性地改變第一電壓電平。電壓發(fā)生器還可以被配置成隨著工作溫度的對(duì)應(yīng)改變線性地改變第二電壓電平。

在另一種實(shí)施例中，電路系統(tǒng)還可以被配置成在單一溫度下校準(zhǔn)電壓發(fā)生器。電路系統(tǒng)還可以被配置成響應(yīng)于校準(zhǔn)電壓發(fā)生器來(lái)確定校準(zhǔn)值。

在還有的實(shí)施例中，第一量和第二量可以響應(yīng)于制造工藝中的變化而改變，并且電路系統(tǒng)還可以被配置成通過(guò)使用校準(zhǔn)值來(lái)對(duì)第一量和第二量的改變進(jìn)行補(bǔ)償。在另一種實(shí)施例中，電路系統(tǒng)還可以被配置成將計(jì)算出的工作溫度發(fā)送到功率管理單元。

附圖說(shuō)明

以下詳細(xì)描述參考現(xiàn)在將簡(jiǎn)要描述的附圖。

圖1是圖示微處理器的實(shí)施例的框圖。

圖2a是圖示在微處理器的實(shí)施例中溫度、工作頻率和工作電壓之間的可能關(guān)系的圖表。

圖2b是圖示在溫度感測(cè)單元的實(shí)施例中溫度和各種電壓電平之間的可能關(guān)系的圖表。

圖3是圖示溫度感測(cè)單元的實(shí)施例的框圖。

圖4是圖示溫度感測(cè)單元的另一種實(shí)施例的框圖。

圖5圖示描繪用于操作溫度感測(cè)單元的方法的實(shí)施例的流程圖。

雖然本公開(kāi)容易有各種修改和替代形式，但是其具體實(shí)施例在附圖中以示例的方式示出并且將在本文中詳細(xì)描述。但是應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖以及對(duì)附圖的詳細(xì)描述不旨在將本公開(kāi)限制為圖示的特定形式，相反，其旨在涵蓋屬于由所附權(quán)利要求限定的本公開(kāi)的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代物。本文所使用的標(biāo)題僅用于組織的目的，并且不意味著用于限制本描述的范圍。如貫穿本申請(qǐng)所使用的，詞語(yǔ)“可以”用于許可的意義(即，意味著有可能)，而不是強(qiáng)制的意義(即，意味著必須)上使用。類似地，詞語(yǔ)“包括”意味著包括，而不是限于。

各種單元、電路或其它部件可以被描述為“被配置成”執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)任務(wù)。在這樣的上下文中，“被配置成”是通常意味著“具有”在工作期間執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)任務(wù)的“電路”的結(jié)構(gòu)的廣義闡述。因此，即使在單元/電路/部件當(dāng)前未開(kāi)啟時(shí)，單元/電路/部件也可以被配置成執(zhí)行任務(wù)。通常，形成對(duì)應(yīng)于“被配置成”的結(jié)構(gòu)的電路系統(tǒng)可以包括硬件電路。類似地，為了描述的方便，各種單元/電路/部件可以被描述為執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)任務(wù)。這樣的描述應(yīng)當(dāng)被解釋為包括短語(yǔ)“被配置成”。闡述被配置成執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)任務(wù)的單元/電路/部件明確地不旨在對(duì)那個(gè)單元/電路/部件援引35u.s.c.§112，段(f)的解釋。更一般而言，任何元件的闡述都明確地旨在不對(duì)那個(gè)元件援引35u.s.c.§112，段(f)的解釋，除非具體闡述了語(yǔ)言“用于...的裝置”或“用于...的步驟”。

具體實(shí)施方式

介紹

一般而言，微處理器(也稱為“處理器”、“微處理單元”或“mpu”)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器核。處理器核(或簡(jiǎn)單地，“核”)可以指的是能夠獨(dú)立于微處理器內(nèi)的其它處理器核執(zhí)行程序指令和處理數(shù)據(jù)，使得若干核可以并發(fā)地執(zhí)行指令的微處理器的單元。處理核的性能可以受到眾多因素的影響，所述因素包括微處理器時(shí)鐘速度、微處理器中的核的數(shù)量以及存儲(chǔ)器訪問(wèn)的速度。

可能影響性能的另一個(gè)因素是微處理器芯片本身的溫度。在較高時(shí)鐘頻率和/或較高電源電壓下工作時(shí)，微處理器芯片的溫度會(huì)增加，尤其是在可以在現(xiàn)代芯片中使用的高密度設(shè)計(jì)中。芯片的溫度(本文也稱為結(jié)溫)可能增加超過(guò)圍繞封裝芯片的環(huán)境溫度。在一些實(shí)施例中，可以使用外部部件(諸如，散熱器和風(fēng)扇)來(lái)提高封裝的微處理器的散熱，從而更快地冷卻芯片并允許微處理器以更高的性能水平運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。即使有這些外部部件，微處理器在給定時(shí)間量?jī)?nèi)仍然可能產(chǎn)生比可消散的熱量更多的熱量。

在其中可以包括兩個(gè)、四個(gè)或甚至32個(gè)或更多個(gè)處理器核的多核微處理器中，各個(gè)核可以在不同的性能水平下工作，這可以導(dǎo)致微處理器芯片上的溫度變化。在一些情況下，核的一部分可以在更高的性能水平下工作，并且因此比核的剩余部分產(chǎn)生更多的熱量。芯片上的這些溫度變化可能引起各種問(wèn)題，諸如例如，性能降級(jí)、泄漏功率增加、可靠性降低、功能故障等。為了解決溫度變化，可能需要在整個(gè)微處理器芯片的若干位置處進(jìn)行溫度感測(cè)，以便調(diào)整性能水平以對(duì)高工作溫度進(jìn)行補(bǔ)償。為了最小化管芯尺寸增加和芯片管腳數(shù)增加，可能期望具有緊湊設(shè)計(jì)且不需要外部管腳的溫度感測(cè)電路。此外，這種溫度感測(cè)電路的精度可能需要這樣一種精度水平：其足以在無(wú)需不必要地限制微處理器的性能能力的情況下在發(fā)生故障之前做出這樣的調(diào)整。

本文公開(kāi)的實(shí)施例可以在需要較少的外部管腳的情況下在緊湊電路設(shè)計(jì)中提供精確的片上溫度感測(cè)。這些實(shí)施例可以測(cè)量結(jié)溫并且將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制信號(hào)，該數(shù)字控制信號(hào)可以被發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)片上功率管理單元以調(diào)整在微處理器中工作的核的頻率和/或電壓。一些實(shí)施例可以包括校準(zhǔn)能力以對(duì)工藝和電源變化進(jìn)行補(bǔ)償，這可以在微處理器工作期間產(chǎn)生更準(zhǔn)確的溫度感測(cè)。

多核處理器概述

在各種實(shí)施例中，多核處理器可以包括處理核的數(shù)個(gè)實(shí)例以及其它特征。圖1中繪出16-核處理器的一個(gè)示例。在圖示的實(shí)施例中，處理器100可以包括被表示為核101a-p并且還被指定為“核0”至“核15”的核的十六個(gè)實(shí)例。核101a-p可以每一個(gè)包括本地l1高速緩存102a-p。核101a-p可以通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)110耦合到l2高速緩存120a和120b。此外，核101a-p可以通過(guò)l2高速緩存120a-b耦合到存儲(chǔ)器接口130。存儲(chǔ)器接口130可以進(jìn)一步耦合到l3高速緩存140以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器150。應(yīng)當(dāng)注意的是，在各種實(shí)施例中，圖1的組織可以表示邏輯組織而不是物理組織，并且還可以采用其它部件。例如，在一些實(shí)施例中，核101a-p和l2高速緩存120a-b可以不是直接地連接到交叉開(kāi)關(guān)410，而是可以替代地通過(guò)中間邏輯與交叉開(kāi)關(guān)接口連接。l3高速緩存140和系統(tǒng)存儲(chǔ)器可以駐留在處理器100的外部。

核101a-p可以被配置成根據(jù)特定指令集體系架構(gòu)(isa)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。在一種實(shí)施例中，核101a-p可以被配置成實(shí)現(xiàn)v9isa，但是在其它實(shí)施例中，預(yù)期可以采用任何期望的isa，諸如例如x86、或此外，如下面更詳細(xì)描述的，在一些實(shí)施例中，核101的每一個(gè)實(shí)例可以被配置成并發(fā)地執(zhí)行若干線程，其中每一個(gè)線程可以包括一組指令，所述一組指令可以獨(dú)立于其它線程的指令執(zhí)行。在各種實(shí)施例中，預(yù)期可以在處理器內(nèi)包括任何合適數(shù)量的核101a-p，并且核101a-p可以并發(fā)處理一些數(shù)量的線程。

l1高速緩存102a-p可以駐留在核101a-p內(nèi)或者可以駐留在核101a-p和交叉開(kāi)關(guān)110之間。l1高速緩存102a-p可以被配置成高速緩存用于由其各自的核101a-p使用的指令和數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，可以使用集合關(guān)聯(lián)或直接映射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)每一個(gè)單獨(dú)的高速緩存102a-p。例如，在一種實(shí)施例中，l1高速緩存102a-p可以是13千字節(jié)(kb)高速緩存，其中每一個(gè)l1高速緩存102a-p是與13-字節(jié)線大小相關(guān)聯(lián)的2-路集合，但是其它高速緩存大小和幾何形狀也是可能的和預(yù)期的。

交叉開(kāi)關(guān)110可以被配置成管理核101a-p和共享l2高速緩存120a-b之間的數(shù)據(jù)流。在一種實(shí)施例中，交叉開(kāi)關(guān)110可以包括邏輯(諸如，多路復(fù)用器或交換結(jié)構(gòu))，該邏輯允許任何核101a-p訪問(wèn)l2高速緩存120a-b的任何存儲(chǔ)體并且反向地允許數(shù)據(jù)從l2高速緩存120a-b的任何存儲(chǔ)體返回到任何核101a-p。交叉開(kāi)關(guān)110可以被配置成并發(fā)地處理從核101a-p到l2高速緩存120a-b的數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及處理從l2高速緩存120a-b到核101a-p的數(shù)據(jù)響應(yīng)。在一些實(shí)施例中，交叉開(kāi)關(guān)110可以包括用于對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求和/或響應(yīng)進(jìn)行排隊(duì)的邏輯，使得請(qǐng)求和響應(yīng)在等待服務(wù)時(shí)不會(huì)阻塞其它活動(dòng)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在各種實(shí)施例中，可以使用任何合適類型的互連網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)交叉開(kāi)關(guān)110，在一些實(shí)施例中，所述互連網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)應(yīng)于物理交叉開(kāi)關(guān)互連。

l2高速緩存120a-b可以被配置成高速緩存用于由核101a-p使用的指令和數(shù)據(jù)。l2高速緩存120a可以耦合到核101a-h，并且l2高速緩存120b可以類似地耦合到核101i-p。隨著核101的數(shù)量增加，l2高速緩存120的大小和/或數(shù)量也可以增加，以便容納附加的核101。例如，在包括16個(gè)核的實(shí)施例中，l2高速緩存120可以被配置為2個(gè)高速緩存，每一個(gè)高速緩存3mb，每一個(gè)高速緩存包括8個(gè)單獨(dú)的384kb的高速緩存存儲(chǔ)體，其中每一個(gè)存儲(chǔ)體可以是與256個(gè)集合和13-字節(jié)線大小相關(guān)聯(lián)的24-路集合，但是也可以采用任何其它合適的高速緩存大小或幾何形狀。

存儲(chǔ)器接口130可以被配置成響應(yīng)于例如l2填充請(qǐng)求和數(shù)據(jù)驅(qū)逐來(lái)管理在l2高速緩存120a-b或外部系統(tǒng)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)的傳送。在一些實(shí)施例中，可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器接口130的若干實(shí)例，其中每一個(gè)實(shí)例被配置成控制外部系統(tǒng)存儲(chǔ)器的相應(yīng)存儲(chǔ)體。存儲(chǔ)器接口130可以被配置成與任何合適類型的存儲(chǔ)器(諸如例如，全緩沖雙列直插存儲(chǔ)器模塊(fb-dimm)、雙數(shù)據(jù)速率或雙數(shù)據(jù)速率2同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ddr/ddr2sdram)或dram)接口連接。在一些實(shí)施例中，存儲(chǔ)器接口130可以被配置成支持與若干不同類型的存儲(chǔ)器的接口連接。

核101a-p可以被組織成組，每一個(gè)組的核物理上位于一處以共享資源，諸如本地分布的電源信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。在圖示的實(shí)施例中，核101a-p可以被分段成四個(gè)組，使得核的每一個(gè)組可以大致占據(jù)微處理器芯片的一個(gè)象限。每一個(gè)象限可以包括一個(gè)或多個(gè)溫度感測(cè)單元140a-d。溫度感測(cè)單元104a-d可以監(jiān)測(cè)相應(yīng)象限中的結(jié)溫。監(jiān)測(cè)可以是連續(xù)的、周期性的、或者響應(yīng)于由核101a-p中的給定核所斷言的控制信號(hào)。將在下面提供溫度感測(cè)單元的實(shí)施例的細(xì)節(jié)。

除了溫度感測(cè)單元140a-d之外，功率管理單元(pmu)150a-d中的給定一個(gè)可以位于每一個(gè)象限中。功率控制電路150a-d可以控制每一個(gè)象限內(nèi)的電源信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的局部分布。功率控制電路150a-d可以控制去往相應(yīng)象限中核101的一個(gè)或多個(gè)電源信號(hào)的電壓電平以及一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率?？梢酝ㄟ^(guò)使用電壓調(diào)節(jié)電路或通過(guò)經(jīng)由開(kāi)關(guān)或多路復(fù)用器從若干電源信號(hào)中選擇電源信號(hào)來(lái)調(diào)整電壓電平。類似地，可以通過(guò)使用本地時(shí)鐘分頻器電路或通過(guò)經(jīng)由開(kāi)關(guān)或多路復(fù)用器從若干時(shí)鐘信號(hào)中選擇時(shí)鐘信號(hào)來(lái)調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)頻率。在一些實(shí)施例中，功率控制電路可以從處理器100中的其它部件(諸如，從核101a-p中的一個(gè)或從對(duì)應(yīng)的溫度感測(cè)單元140a-d)接收命令以調(diào)整電壓電平或時(shí)鐘頻率。在其它實(shí)施例中，功率控制電路150a-d可以從對(duì)應(yīng)的溫度感測(cè)單元140a-d接收溫度值，并且確定是否需要調(diào)整。

應(yīng)當(dāng)注意的是，圖1僅僅是多核處理器的示例。在其它實(shí)施例中，處理器100可以包括網(wǎng)絡(luò)和/或外圍接口。物理結(jié)構(gòu)可以不由圖1表示，因?yàn)樵S多其它物理布置也是可能的并且是預(yù)期的。

轉(zhuǎn)到圖2，圖2圖示兩個(gè)圖表。圖2a示出的圖表圖示在微處理器(諸如例如，圖1中的處理器100)的實(shí)施例中的結(jié)溫、電源電壓和工作頻率之間的可能關(guān)系。波形201示出電源電壓和工作頻率的各種組合隨時(shí)間的示例結(jié)溫曲線。波形202示出可以被處理器100利用的隨時(shí)間的工作頻率曲線。波形203可以對(duì)應(yīng)于處理器100中的電源的電壓電平隨時(shí)間的曲線。

在時(shí)間t0，結(jié)溫201例如在包括處理器100的系統(tǒng)的電源接通之后可能處于低點(diǎn)。工作頻率202可以被設(shè)置在高頻率用于最大性能，并且電源電壓203也可以被設(shè)置為高電平以支持高頻率。從時(shí)間t0到時(shí)間t1，結(jié)溫201可以響應(yīng)于高頻率和高電壓電平而上升。在時(shí)間t1，結(jié)溫201可以達(dá)到第一閾值水平，其可以對(duì)應(yīng)于最大安全工作溫度。響應(yīng)于達(dá)到第一閾值水平，可以降低工作頻率202和電壓電平203以降低功耗。

隨著功耗的降低，可以產(chǎn)生更少的熱量，并且包括處理器100的封裝器件可以能夠消散比所生成的熱量更多的熱量，這可以導(dǎo)致結(jié)溫201在時(shí)間t1和t2之間下降。在時(shí)間t2，結(jié)溫201可以達(dá)到第二閾值水平，第二閾值水平可以對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大安全工作溫度的溫度，以允許返回到更高的性能設(shè)置?？梢允褂脭?shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的任何組合來(lái)確定第二閾值溫度的設(shè)置。響應(yīng)于達(dá)到第二閾值水平，電壓電平203可以被升高回到t0的先前水平，同時(shí)工作頻率202可以被升高，但是可以被設(shè)置為低于在時(shí)間t0時(shí)設(shè)置的頻率。在時(shí)間t2之后，結(jié)溫201可以開(kāi)始再次上升，可能以比在時(shí)間t0和t1之間更低的速率上升。

圖2a的圖表突出顯示對(duì)于將微處理器保持在安全工作范圍內(nèi)來(lái)說(shuō)如何監(jiān)測(cè)微處理器的結(jié)溫可能是有用的。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖2a的波形僅僅是示例并且被簡(jiǎn)化以說(shuō)明所公開(kāi)的概念。實(shí)際波形可能由于各種影響(諸如，工作條件、所使用的制造技術(shù)和制造期間的工藝變化)而變化。例如，在一些實(shí)施例中，結(jié)溫201可以在時(shí)間t2之后以較慢的速率繼續(xù)下降，而不是上升。

轉(zhuǎn)移到圖2b，其是圖示溫度感測(cè)單元(諸如例如，溫度感測(cè)單元140a-d中的一個(gè))的實(shí)施例中的溫度和各種電壓電平之間的關(guān)系的另一個(gè)圖表。在該圖表中圖示四個(gè)波形。溫度210可以對(duì)應(yīng)于芯片的結(jié)溫。vref211可以對(duì)應(yīng)于芯片上的參考電壓電平。第一溫度敏感電路的電壓電平可以對(duì)應(yīng)于vbe1212。第二溫度敏感電路的電壓電平可以對(duì)應(yīng)于vbe15213。

在圖2b的示例中，示出相對(duì)于溫度210的改變vref211是不變的。換句話說(shuō)，對(duì)于芯片的結(jié)溫的改變，vref211可以是恒定的。在一些實(shí)施例中，對(duì)于耦合到芯片的電源的電壓電平的改變，vref211也可以是恒定的(盡管為了這樣電源可能需要高于最小電壓)。在其它實(shí)施例中，vref211可以與電源的電壓電平的改變成比例地改變?？梢允褂萌魏魏线m的電路設(shè)計(jì)來(lái)生成vref211，諸如帶隙電壓基準(zhǔn)或電壓調(diào)節(jié)器的輸出。

與vref211相比，vbe1212被示為相對(duì)于溫度210的改變成反比地改變。當(dāng)溫度210上升時(shí)，vbe1212下降，并且當(dāng)溫度210下降時(shí)，vbe1212上升。響應(yīng)于溫度210的相應(yīng)上升和下降，vbe15213可以類似地下降和上升。但是，與vbe1212相比，vbe15213可以具有不同的改變率，即，溫度斜率。換句話說(shuō)，響應(yīng)于上升的溫度210，vbe15213可以比vbe1212更慢地下降，以及響應(yīng)于溫度210下降，vbe15213可以比vbe1212更慢地上升。在一些實(shí)施例中，相對(duì)于溫度的改變，vbe1212和vbe15213可以不是線性地改變，但是相對(duì)于溫度改變，vbe1212和vbe15213之間的增量可以保持線性。在一些實(shí)施例中，vbe15213和vbe1212兩者可以都對(duì)耦合到芯片的電源的電壓電平的改變敏感。因此，可以假定在給定工作電壓電平下出現(xiàn)圖2b中的波形。在這樣的實(shí)施例中，vbe15213和vbe1212兩者都可以與電壓電平的改變成比例地縮放。

可以利用任何合適的電路設(shè)計(jì)用類似的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)用于生成vbe15213和vbe1212的電壓源。例如，在一些實(shí)施例中，電壓源設(shè)計(jì)可以包括用相應(yīng)的雙極結(jié)點(diǎn)晶體管(bjt)創(chuàng)建的二極管。為了為每一個(gè)二極管創(chuàng)建不同的溫度斜率，用于生成vbe1212的二極管可以被設(shè)計(jì)成具有是用于生成vbe15213的二極管的已知倍數(shù)的電流密度。例如，vbe1212二極管可以具有比vbe15213二極管的電流密度大15倍的電流密度。

圖2b的圖表圖示出的是通過(guò)理解所包括的電壓電平的關(guān)系可以啟用用于測(cè)量微處理器的結(jié)溫的方法。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖2b的波形是用于說(shuō)明所公開(kāi)的概念的簡(jiǎn)化示例。例如，雖然vref211被示為低于vbe15213和vbe1212兩者，但是在一些實(shí)施例中，在某些溫度下，vref211可以高于vbe1212或vbe15213。如圖2a，實(shí)際波形可能由于各種影響(諸如，工作條件、所使用的制造技術(shù)和制造期間的工藝變化)而變化。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，圖3呈現(xiàn)了圖示溫度感測(cè)單元的實(shí)施例的框圖。溫度感測(cè)單元300可以對(duì)應(yīng)于溫度感測(cè)單元140a-d的一個(gè)實(shí)例。溫度感測(cè)單元300可以包括三個(gè)電壓發(fā)生器304：vref301、vbe1302和vbe15303，它們都耦合到模擬多路復(fù)用單元(模擬mux)315的輸入。溫度感測(cè)單元300還可以包括耦合到模擬mux315的控制單元310、電流源313、計(jì)數(shù)器320、算術(shù)邏輯單元(alu)330和晶體管q319。比較器317也可以被包括在溫度感測(cè)單元300中，耦合到模擬mux315的輸出和電容器318。時(shí)鐘源340可以耦合到計(jì)數(shù)器320。

vref301可以是提供對(duì)應(yīng)于圖2b中的vref211的波形的輸出的電壓發(fā)生器。vref301可以是帶隙電壓基準(zhǔn)或任何其它合適的電路，并且可以具有比vbe1302或vbe15303更小的溫度斜率(每攝氏度的溫度改變的電壓電平改變量)。在一些實(shí)施例中，響應(yīng)于溫度改變，vref301可以具有很少的電壓電平改變甚至沒(méi)有電壓電平改變。由于其在溫度上的穩(wěn)定性，vref301可以在溫度感測(cè)單元300中用作vbe1302和vbe15303的參考點(diǎn)。

vbe1302和vbe15303可以是提供對(duì)應(yīng)于圖2b中的vbe1212和vbe15213的輸出的一對(duì)電壓發(fā)生器。vbe1212和vbe15213可以是具有可預(yù)測(cè)的溫度斜率的任何合適的電壓生成電路。vbe1212可以被設(shè)計(jì)成具有比vbe15213更高的溫度斜率。例如，vbe1212和vbe15213兩者都可以包括被設(shè)計(jì)成使得vbe1212的電流密度比vbe15213的電流密度高15倍的溫度敏感二極管。在其它實(shí)施例中，可以使用15之外的其它因子。

vref301、vbe1302和vbe15303的輸出可以全部耦合到模擬mux315的輸入?？刂茊卧?10可以耦合到模擬mux315的選擇輸入，并且可以控制模擬mux315以選擇三個(gè)電壓發(fā)生器304中的給定一個(gè)。模擬mux315的輸出可以耦合到比較器317的一個(gè)輸入。比較器317可以輸出具有值的數(shù)字信號(hào)，該值取決于兩個(gè)模擬輸入信號(hào)中哪一個(gè)具有更高電壓電平。

控制單元310還可以耦合到電流源313以啟用或禁用電流源313的輸出。電流源313可以在啟用時(shí)輸出恒定電流，而不管輸出上存在的電壓電平。電流源313的輸出可以耦合到c318、q319，以及耦合到比較器317的第二輸入。當(dāng)被控制單元310啟用時(shí)，電流源313可以對(duì)c318充電，而q319被關(guān)斷。電流源313的恒定電流輸出可以引起可重復(fù)的電壓斜坡在比較器317的第二輸入上上升。當(dāng)比較器317的第二輸入上的電壓電平等于或大于比較器317的另一個(gè)輸入上的來(lái)自所選擇的電壓發(fā)生器304的電壓電平時(shí)，比較器317的輸出可以轉(zhuǎn)變。比較器317的輸出可以耦合到計(jì)數(shù)器320的輸入，使得這種轉(zhuǎn)變禁止計(jì)數(shù)器320的進(jìn)一步遞增。

在電壓斜坡的電壓電平已經(jīng)達(dá)到所選擇的電壓發(fā)生器的電壓電平之后，控制單元310可以關(guān)斷電流源313并接通q319。關(guān)斷電流源313和接通q319可以允許q319將c318上的電壓電平放電到大約零伏，即，放電c18。

控制單元310還可以啟用、禁用和復(fù)位計(jì)數(shù)器320。例如，當(dāng)電流源313被禁用時(shí)，控制310可以復(fù)位計(jì)數(shù)器320，并且然后在電流源313被接通時(shí)，控制單元310在類似的時(shí)間啟用計(jì)數(shù)器320。當(dāng)被啟用時(shí)，計(jì)數(shù)器320可以響應(yīng)于從時(shí)鐘源340接收到的時(shí)鐘信號(hào)的上升或下降轉(zhuǎn)變而遞增計(jì)數(shù)值。通過(guò)在大致相同時(shí)間啟用電流源313和計(jì)數(shù)器320兩者，計(jì)數(shù)器320可以在c318上的電壓斜坡小于所選擇的電壓發(fā)生器304時(shí)遞增，并且然后響應(yīng)于當(dāng)電壓斜坡達(dá)到所選擇的電壓發(fā)生器304時(shí)的比較器317的轉(zhuǎn)變而停止遞增。計(jì)數(shù)器320的值可以對(duì)應(yīng)于電壓斜坡的電平達(dá)到所選擇的電壓發(fā)生器304的電壓電平的時(shí)間。假定電壓斜坡維持一致的轉(zhuǎn)換速率并且時(shí)鐘源340保持一致，那么可以為vref301、vbe1302和vbe15303中的每一個(gè)確定對(duì)應(yīng)于三個(gè)電壓發(fā)生器304中的每一個(gè)的相對(duì)電壓電平的計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)器320可以將每一個(gè)計(jì)數(shù)值發(fā)送到alu330，該alu330可以響應(yīng)于來(lái)自控制單元310的信號(hào)計(jì)算對(duì)應(yīng)于在電壓發(fā)生器304的位置處的溫度的溫度值。alu330可以利用用于三個(gè)電壓發(fā)生器304中的每一個(gè)的計(jì)數(shù)值來(lái)確定溫度值。

為了確定溫度值，alu330可以被設(shè)計(jì)成計(jì)算用于表示三個(gè)電壓發(fā)生器304的電壓電平和電壓發(fā)生器304的溫度之間的關(guān)系的等式的結(jié)果。為了確定該等式，第一步驟可能需要為電壓發(fā)生器304中的每一個(gè)確定等式。電壓發(fā)生器304可以被設(shè)計(jì)成使得用于每一個(gè)輸出的電壓電平的等式可以被表示為用于二極管的電壓電平的等式。在等式1中給出用于確定取決于電壓和溫度的二極管的電流的等式。

io是二極管的反向偏置電流，并且q/η是電荷密度的量度，k是玻爾茲曼常數(shù)，并且temp是以開(kāi)爾文為單位的溫度。vbe是跨二極管的電壓，并且可以對(duì)應(yīng)于電壓發(fā)生器304的每一個(gè)輸出的電壓電平。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)vbe≥200mv時(shí)，等式1可以是有效的。在一些實(shí)施例中，可以在具有不同電流密度的兩個(gè)二極管上測(cè)量vbe。在一些實(shí)施例中，vbe1302和vbe15303可以被設(shè)計(jì)為使得vbe1302產(chǎn)生比vbe15303的電流大近似十五倍的電流。在這樣的實(shí)施例中，等式1可以用于生成等式2。

可以為等式3中的vbe15和等式4中的vbe1求解等式2。然后，可以通過(guò)從等式4的兩側(cè)減去vbe15來(lái)將等式3和4組合在等式5中。

為了計(jì)算溫度temp，如上所述測(cè)量vbe1302和vbe15303的電壓電平以及vref301的電壓電平。在等式6、7和8中提供了vbe1302、vbe15303和vref301相對(duì)于c318的電容值和時(shí)間t的等式。每一個(gè)時(shí)間t可以對(duì)應(yīng)于將c318充電到每一個(gè)電壓發(fā)生器304的相應(yīng)電壓電平的時(shí)間。

可以通過(guò)從等式6中減去等式7來(lái)將等式6和7組合以創(chuàng)建等式9。可以將等式5代入項(xiàng)(vbe1-vbe15)以產(chǎn)生等式10。

為了從等式10中去除對(duì)電容值c的依賴性，可以對(duì)等式8求解c并將c代入到等式11中。然后可以對(duì)等式11求解temp以產(chǎn)生等式12。

在等式12中，時(shí)間t可以被n代替，其中n可以對(duì)應(yīng)于來(lái)自計(jì)數(shù)器320的相應(yīng)計(jì)數(shù)值。由于n項(xiàng)出現(xiàn)在分子和分母中，因此n的單位消除，這指示只要時(shí)鐘340對(duì)于用于測(cè)量電壓發(fā)生器304的三個(gè)輸出的三個(gè)計(jì)數(shù)值是一致的，那么絕對(duì)時(shí)間就與確定溫度不相關(guān)。因此，可以使用常數(shù)值qvref/kηln15(其可以進(jìn)行每部分校準(zhǔn))乘以(n1-n15)/nref來(lái)確定溫度。在等式12中，temp仍然是開(kāi)爾文度。

在單次校準(zhǔn)過(guò)程期間，可以在已知溫度tc(tc現(xiàn)在是攝氏度)處使用等式13(從等式12導(dǎo)出)來(lái)計(jì)算常數(shù)，并且從計(jì)數(shù)器320生成用于三個(gè)電壓發(fā)生器304的在tc處的校準(zhǔn)計(jì)數(shù)值(nrefc、n1c和n15c)。

現(xiàn)在可以通過(guò)等式14來(lái)確定溫度值(t現(xiàn)在是攝氏度)。

使用等式14，可以獨(dú)立于電壓發(fā)生器304或電容器c318的過(guò)程變化來(lái)計(jì)算結(jié)溫測(cè)量值?？梢酝ㄟ^(guò)單次校準(zhǔn)過(guò)程期間的溫度測(cè)量的精度以及在為給定溫度測(cè)量生成三個(gè)計(jì)數(shù)值時(shí)的時(shí)鐘340的穩(wěn)定性來(lái)確定結(jié)溫測(cè)量值的精度。換句話說(shuō)，單次校準(zhǔn)過(guò)程可以對(duì)制造期間的任何工藝變化進(jìn)行補(bǔ)償。此外，由于常數(shù)取決于vref，因此單次校準(zhǔn)過(guò)程也可以幫助對(duì)電源電壓改變引起的改變進(jìn)行補(bǔ)償。

應(yīng)當(dāng)注意的是，圖3僅僅是溫度感測(cè)單元的示例。在其它實(shí)施例中，溫度感測(cè)單元300可以包括其它部件或者部件可以不同地耦合。物理結(jié)構(gòu)可以不由圖3表示，因?yàn)樵S多其它物理布置也是可能的并且是預(yù)期的。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，圖4圖示溫度感測(cè)單元的另一種實(shí)施例。溫度感測(cè)單元400可以是圖1中的溫度感測(cè)單元140a-d的另一種實(shí)施例的替代實(shí)施例。在處理器100的一些實(shí)施例中，溫度感測(cè)單元140a-d可以對(duì)應(yīng)于溫度感測(cè)單元300和溫度感測(cè)單元400的組合。溫度感測(cè)單元400的部件可以對(duì)應(yīng)于溫度感測(cè)單元300的類似部件，并且因此除了如下所述的之外，它們關(guān)于圖3的描述也可以應(yīng)用于圖4的實(shí)施例。

與溫度感測(cè)單元300相比，溫度感測(cè)單元400可以不包括模擬多路復(fù)用單元(諸如，模擬mux315)，而是可以包括兩個(gè)附加的比較器，每一個(gè)比較器耦合到相應(yīng)的附加計(jì)數(shù)器。vref401、vbe1402和vbe15403的輸出可以分別耦合到比較器417a、417b和417c的輸入。比較器417a-c的輸出可以分別耦合到計(jì)數(shù)器420a-c，使得當(dāng)c418上的電壓斜坡的電壓電平上升到高于電壓發(fā)生器404的相應(yīng)輸出的電壓電平時(shí)，相應(yīng)的計(jì)數(shù)器420a-c可以停止遞增其計(jì)數(shù)值。每一個(gè)計(jì)數(shù)器420a-c可以將其相應(yīng)的計(jì)數(shù)值發(fā)送到alu430以在結(jié)溫計(jì)算中使用。如對(duì)于圖3中的alu330所描述的那樣，alu430可以確定結(jié)溫。

通過(guò)為每一個(gè)電壓發(fā)生器404包括相應(yīng)的比較器417和相應(yīng)的計(jì)數(shù)器420，溫度感測(cè)單元400可以能夠并行地測(cè)量每一個(gè)電壓發(fā)生器404的電壓電平。與串行測(cè)量每一個(gè)電壓電平相比，并行測(cè)量每一個(gè)電壓電平可以減少用于確定結(jié)溫的時(shí)間。如本文所使用的，“并行”不旨在暗示精確的重疊，而是指示每一個(gè)測(cè)量的至少一部分可以在其它測(cè)量的至少一部分活動(dòng)時(shí)發(fā)生。但是，與溫度感測(cè)單元300的管芯尺寸相比，添加兩個(gè)比較器和兩個(gè)計(jì)數(shù)器可以增加溫度感測(cè)單元400的管芯尺寸。

應(yīng)當(dāng)注意的是，圖4僅僅是溫度感測(cè)單元的另一個(gè)示例。在其它實(shí)施例中，溫度感測(cè)單元400的部件可以不同地耦合，并且可以包括或排除其它部件。物理結(jié)構(gòu)可以不由圖4表示，因?yàn)樵S多其它物理布置也是可能的和預(yù)期的。

檢測(cè)溫度的方法

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5，其圖示用于操作溫度感測(cè)單元以確定結(jié)溫以及用于調(diào)整處理器的性能的方法。圖5的方法可以適用于溫度感測(cè)單元(諸如，圖3的溫度感測(cè)單元300或圖4的溫度感測(cè)單元400)并且可以適用于處理器(諸如，圖1中的處理器100)。一同參考處理器100、溫度感測(cè)單元300和圖5的流程圖，方法可以在方框501中開(kāi)始。

可以生成第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平(方框502)。第一電壓電平可以對(duì)應(yīng)于vref301的輸出，并且可以具有第一溫度斜率，即，每攝氏度溫度改變的電壓電平改變量。第二電壓電平可以對(duì)應(yīng)于vbe1302的輸出并且可以具有第二溫度斜率，而第三電壓電平可以對(duì)應(yīng)于vbe15303的輸出并且可以具有第三溫度斜率。第二溫度斜率可以是最高的，接著是第三溫度斜率，并且然后第一溫度斜率可以是最低的。在一些實(shí)施例中，第一溫度斜率可以近似為零，即，響應(yīng)于結(jié)溫的改變，電壓電平不會(huì)顯著改變。

可以測(cè)量第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平(方框503)?？梢匀珀P(guān)于圖3所描述的那樣執(zhí)行第一電壓電平、第二電壓電平和第三電壓電平的測(cè)量。即，可以一次一個(gè)地選擇每一個(gè)電壓電平，并且可以測(cè)量電壓斜坡上升到高于所選擇的電壓電平的時(shí)間作為計(jì)數(shù)器(諸如，計(jì)數(shù)器320)的計(jì)數(shù)值?？商娲兀梢匀珀P(guān)于圖4所描述的那樣測(cè)量三個(gè)電壓電平。換句話說(shuō)，每一個(gè)電壓電平可以具有用于并行測(cè)量三個(gè)電壓電平的對(duì)應(yīng)的比較器和計(jì)數(shù)器。獨(dú)立于所使用的測(cè)量方法，每一個(gè)計(jì)數(shù)值可以被發(fā)送到算術(shù)邏輯單元(諸如，alu330)以在溫度計(jì)算中使用。

可以取決于由算術(shù)邏輯單元接收到的三個(gè)計(jì)數(shù)值來(lái)計(jì)算結(jié)溫(方框504)。算術(shù)邏輯單元(諸如，例如alu330)可以被設(shè)計(jì)成使用在方框503中接收到的三個(gè)計(jì)數(shù)值來(lái)計(jì)算結(jié)溫或在一些實(shí)施例中估計(jì)結(jié)溫。alu330可以使用諸如上述等式14的等式。在一些實(shí)施例中，等式可以包括可以是設(shè)備相關(guān)的常數(shù)。換句話說(shuō)，在制造工藝期間的部件到部件的變化會(huì)導(dǎo)致每一個(gè)部件(即，每一個(gè)處理器100)的這個(gè)常數(shù)不同。因此，可以在工廠測(cè)試期間對(duì)每一個(gè)部分執(zhí)行單次校準(zhǔn)，并且與常數(shù)值相關(guān)聯(lián)的值可以存儲(chǔ)在或者每一個(gè)處理器100內(nèi)的非易失性存儲(chǔ)器中(例如，在熔絲模塊中，如果可用的話)或者存儲(chǔ)在包括處理器100的系統(tǒng)內(nèi)可用的以非易失存儲(chǔ)器的適當(dāng)形式位于處理器100外部的非易失性存儲(chǔ)器中。計(jì)算出的結(jié)溫可以被發(fā)送到對(duì)應(yīng)的功率管理單元(諸如，pmu150a-d中的一個(gè))。

該方法可以取決于結(jié)溫的值(方框505)。pmu150a-d中的一個(gè)可以將結(jié)溫測(cè)量值與閾值進(jìn)行比較。處理器100可以被設(shè)計(jì)成在給定的最大結(jié)溫或低于該給定最大結(jié)溫下工作。如果結(jié)溫達(dá)到最大值，那么處理器100可能不能可靠地執(zhí)行，并且在一些實(shí)施例中，可能處于被物理?yè)p壞的危險(xiǎn)中。為了幫助防止這種情況，可以建立低于最大結(jié)溫值的閾值來(lái)提供安全余量，使得如果結(jié)溫達(dá)到閾值，那么pmu150a-d可以改變可以降低結(jié)溫的處理器100的工作參數(shù)。

在一些實(shí)施例中，可以包括第二閾值?？梢詫⒌诙撝到檫h(yuǎn)低于最大結(jié)溫值。如果結(jié)溫達(dá)到第二閾值，那么處理器100可以在足夠低的溫度下工作，使得可以反轉(zhuǎn)先前對(duì)工作參數(shù)做出的降低結(jié)溫的任何改變，這可以提高處理器100的性能水平。如果結(jié)溫測(cè)量值超過(guò)閾值，那么該方法可以移動(dòng)到方框506以調(diào)整工作參數(shù)。否則，該方法可以在方框507中結(jié)束。

如果結(jié)溫測(cè)量值超過(guò)閾值，那么可以調(diào)整處理器100的工作參數(shù)(方框506)。為了降低結(jié)溫，處理器100的功耗可能需要被降低到這樣一種水平：處理器100的封裝的功率耗散能力大于在處理器100內(nèi)被轉(zhuǎn)換為熱量的功率。由于功率取決于電壓和頻率兩者，因此為了降低功耗，可以降低其中之一或兩者。在一些實(shí)施例中，每一個(gè)pmu150a-d可以包括與相應(yīng)的工作頻率設(shè)置配對(duì)的多個(gè)電源電壓設(shè)置。

每一個(gè)pmu150a-d可以開(kāi)始于可以最大化處理器100中的對(duì)應(yīng)核101的性能的第一電壓-頻率設(shè)置。隨后的電壓-頻率設(shè)置可以產(chǎn)生比先前設(shè)置更低的功耗，使得每次給定pmu150a-d確定測(cè)量的結(jié)溫已升高到閾值以上時(shí)，選擇下一個(gè)電壓-頻率設(shè)置。這可以繼續(xù)直到結(jié)溫測(cè)量值下降到閾值以下，在該點(diǎn)，給定pmu150a-d可以通過(guò)選擇先前的電壓-頻率設(shè)置來(lái)增加性能。在一些實(shí)施例中，可能需要測(cè)量的結(jié)溫在切換回到先前的電壓-頻率設(shè)置之前保持低于閾值預(yù)定量的時(shí)間。在其它實(shí)施例中，可以使用低于原始閾值的第二閾值，而不是使用預(yù)定量的時(shí)間。在這樣的實(shí)施例中，在給定pmu150a-d可以選擇先前的電壓-頻率設(shè)置以提高性能之前，結(jié)溫測(cè)量值可能需要低于第二閾值。在諸如處理器100的實(shí)施例中，每一個(gè)pmu150a-d可以控制用于核101的對(duì)應(yīng)組的電源電壓和工作頻率設(shè)置。如果每一個(gè)溫度感測(cè)單元140a-d測(cè)量與核101的每一個(gè)組相關(guān)聯(lián)的結(jié)溫，那么可以針對(duì)核101的每一個(gè)組獨(dú)立地控制和監(jiān)測(cè)功耗和結(jié)溫。該方法可以在方框507中結(jié)束。

圖5的方法僅僅是示例。雖然圖5中的方法中圖示的操作被描繪為以順序方式執(zhí)行，但是在其它實(shí)施例中，操作中的一些或全部可以并行地執(zhí)行或者以不同的順序執(zhí)行。

一旦完全理解了以上公開(kāi)，許多變化和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)。旨在將所附權(quán)利要求解釋為包括所有這樣的變化和修改。