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高级配置与电源接口

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高级配置与电源接口英文Advanced Configuration and Power Interface縮寫ACPI),是1997年由英特尔微软东芝公司共同提出、制定提供操作系统应用程序管理所有电源管理接口,是一种工业标准,包括了软件和硬件方面的规范。2000年8月康柏和凤凰科技加入,推出 ACPI 2.0规格。2004年9月惠普取代康柏,推出 ACPI 3.0规格。2009年6月16日則推出 ACPI 4.0规格。2011年11月23日推出ACPI 5.0规格。由于ACPI技术正被多个操作系统和处理器架构采用,该规格的管理模式需要与时俱进。2013年10月,ACPI的推广者们一致同意将ACPI的属有归到UEFI论坛。今后新的ACPI规格将由UEFI论坛制定。

概要[编辑]

作为标准中最广为认可的部分,电源管理经历了较多的改进。

早先,進階電源管理将电源管理几乎完全分配给BIOS控制,这大大的限制了操作系统在控制电能消耗方面的功能。

当前,ACPI的电源管理特性以前只适用从便携式计算机(例如膝上型计算机)到桌上型电脑工作站服务器。例如,系统可能会进入极低功率消耗状态。这些就是可利用在多数桌面型电脑上的“睡眠”和“休眠”设置。睡眠和休眠状态可以通过移动鼠标,按键盘按键,从另外一台电脑接收一条信息(如果连接到了一个局域网)或者重大系统错误来唤醒系统。

现在,如果ACPIBIOS和其他系统硬件中被实现,它就可以由操作系统所调用(触发)。

ACPI可以实现的功能包括:

  • 系统电源管理(System power management)
  • 设备电源管理(Device power management)
  • 处理器电源管理(Processor power management)
  • 设备和处理器性能管理(Device and processor performance management)
  • 配置/即插即用(Configuration/Plug and Play)
  • 系统事件(System Event)
  • 电池管理(Battery management)
  • 温度管理(Thermal management)
  • 嵌入式控制器(Embedded Controller)
  • SMBus控制器(SMBus Controller)

Windows 98是支持ACPI的第一个微软的操作系统。FreeBSD v5.0是支持ACPI的第一个UNIX操作系统 [來源請求]。Linux、NetBSD和OpenBSD都至少有一些支持ACPI。

ACPI术语[编辑]

  • 高级配置电源管理接口(Advanced Configuration and Power Interface (ACPI))
按照在本文中的定义, ACPI是一种描述硬件接口的方法,要足够抽象以允许灵活创新的硬件实现,并且足够具体以允许shrink-wrap OS code使用这个硬件接口
  • ACPI硬件(ACPI Hardware)
它是一种电脑硬件,具有支持OSPM所必备的特性,而且还具有特定的接口,这些接口的特性是由ACPI规范所指定的描述表(Description Tables)所描述的。
  • ACPI命名空间(ACPI Namespace)
一个树状层次机构,在受操作系统控制的内存里面,这段内存里面包含命名对象(named objects)等。这些对象(objects)可以是数据对象,控制方法对象,总线/设备包对象等。操作系统通过从驻留在 ACPI BIOS 中的 ACPI Tables 载入载出(loading and/or unloading)定义块(definition blocks),来动态改变命名空间(namespace)的内容。在ACPI Namespace 中的所有信息都来自 Differentiated System Description Table (DSDT),DSDT 里面包含了 Differentiated Definition Block 还有一个或者多个其他的定义块(definition blocks)。
  • ACPI机器语言(ACPI Machine Language (AML))
是一种由ACPI兼容的OS支持的虚拟机的伪代码(Pseudo-code),里面写有ACPI控制方法和控制对象。
  • 高级可编程中断控制器(Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC))
一个中断控制器架构,通常多见于Intel32位架构(Intel Architecture-based 32-bit)的PC系统。APIC架构支持多处理器中断管理(中断均匀的分布在所有处理器),多I/O子系统支持,与8259A兼容,并且支持处理器内部中断(Inter-Processor Interrupt, IPI)。这个架构由直属于处理器的本地APICs(Local APICs)和在(南桥)芯片中的I/O APIC组成。
  • ACPI源语言(ACPI Source Language (ASL))
一种和AML等同的编程语言。ASL编译以后就是AML镜像(AML images)。
  • 控制方法(Control Method)
控制方法定义OS如何执行一个简单的硬件任务。例如,OS调用控制方法(Control Method)去读取一个高温区的温度。控制方法是用一种叫做AML的编码语言写的,AML可以被兼容ACPI的OS所解释并执行。ACPI兼容的系统必须在ACPI table中提供一组最小的控制方法。OS提供一组well-defined 的控制方法,以使ACPI table开发者能够在他们的控制方法中引用。OEM厂商可以通过,要么Including control methods in the BIOS that test configurations and respond as needed,要么为芯片组的不同修订版包含一组不同的控制方法,来使一个BIOS能够同时支持芯片组的不同修订版。
  • 中央处理器或者处理器(Central Processing Unit (CPU) or Processor)
  • 定义区块(Definition Block)
Definition Blockl以数据和控制方法(编码成AML)的形式包含关于硬件实现和配置详细信息。OEM厂商可以在ACPI Tables中提供一个或者多个Definition Blocks。有一个definition block是必须被提供:那就是Differentiated Definition Block,它描述了基本的系统。在装载Differentiated Definition Block之后,紧接着OS会把Differentiated Definition Block的内容插入到ACPI Namespace。OS可以动态的从the active ACPI Namespace插入和删除的其他definition blocks,可以包含指向Differentiated Definition Block的引用。
  • 装置(Device)
  • 装置上下文(Device Context)
装置中包含的变化的数据;通常是易失性(volatile)数据。当进入或者离开特定的状态(states)的时候,设备应该忘记这些信息,在这种情况下OS软件负责保存并恢复这些信息。设备上下文(Device Context)指的是包含在设备周边的小数量的信息。同样可以看看System Context。
  • 区分系统描述表(Differentiated System Description Table (DSDT))
OEM厂商必须为ACPI兼容的OS提供一个DSDT。这个DSDT包含Differentiated Definition Block,它能提供关于基本系统的实现和配置信息。OS总是在ACPI Namespace中插入DSDT信息,当系统启动的时候,而且绝不会删除它。
  • 可扩展固件接口(Extensible Firmware Interface (EFI))
它是一个在OS和固件平台之间的接口。这个接口的形式是一种包含有平台相关信息的数据表,and boot and run-time service calls that are available to the OS and loader。这些一起为启动OS提供一个标准的环境。
  • 嵌入式控制器(Embedded Controller)
  • 嵌入式控制器介面(Embedded Controller Interface)
  • 韌體ACPI控制结构(Firmware ACPI Control Structure (FACS))
在读写内存中的一种结构,BIOS用它来实现韌體和OS之间的信息交换(handshaking )。通过FADT(Fixed ACPI Description Table)FACS被转到兼容ACPI的OS中。FACS包含上次启动时的系统硬件签名,firmware waking vector,和Global Lock。
  • 固定ACPI描述表(Fixed ACPI Description Table (FADT))
一个包含ACPI 硬件寄存器块(Hardware Register Block)的实现和配置详细信息的表,OS需要用这些配置信息来直接管理ACPI硬件寄存器块和DSDT的物理地址,DSDT则包含其他平台的实现和配置详细信息。 OEM厂商必须在RSDT/XSDT中提供FADF给兼容ACPI的OS。当系统启动的时候,OS则总是把已经定义好了的namespace信息(它存在于DSDT的Differentiated Definition Block中)插入到ACPI Namespace,并且OS绝不会删除它。
  • 固定特征(Fixed Features)
ACPI接口提供的一组特征。ACPI规范限制硬件编程模型(hardware programming model)在哪产生还有如何产生的。所有的Fixed Features,如果被使用了,会按照本片规范中的描述进行实现,以使OSPM能够直接访问Fixed Features寄存器(fixed feature registers)。
  • 固定特征事件(Fixed Feature Events)
一组事件,当Fixed Feature寄存器中的一对状态和事件位(event bits)被在同一时间设定时,这组事件会在ACPI接口处发生。当一个Fixed Feature时间发生时,系统控制中断(SCI,system control interrupt)is raised。对于ACPI Fixed Feature Events来说OSPM(or an ACPI-aware driver)扮演事件的处理者。
  • 固定特征寄存器(Fixed Feature Registers)
一组在fixed feature register space中的硬件寄存器,fixed feature register space在系统I/O地址空间的特殊的地址里。ACPI为fixed features定义了寄存器块(register blocks)(每个寄存器块从FADT那里得到一个单独的指针)
  • 一般目的事件寄存器(General-Purpose Event Registers)
The general-purpose event registers contain the event programming model for generic features. All general-purpose events generate SCIs.
  • 一般特征(Generic Feature)
  • 全局系统状态(Global System States)
Global System States适用于整个系统,而且对于用户是可见的。各种不同的Global System States在ACPI规范中是从G0标记到G3的。
  • 省略位(Ignored Bits)
在ACPI硬件寄存器中的一些没有被使用的位(bits),在ACPI规范中会指定这些位是“ignored”的。在读的时候,软件会忽略ACPI硬件寄存器中的Ignored Bits位(而不去读取它),写的时候,会保护Ignored Bits(不去写这写位)。
  • Intel个人电脑架构(Intel Architecture-Personal Computer (IA-PC))
一种对于计算机的一般描述术语,这种计算机的处理器架构符合Intel处理器家族基于Intel架构指令集(Intel Architecture instruction set)的定义,并且有工业标准(industry-standard)PC的结构。
  • I/O APIC(Input/Output Advanced Programmable Interrupt Controller)
一个输入输出高级可编程中断控制器,用来从设备传递中断给处理器里面的本地APIC(local APIC)。
  • I/O SAPIC
An Input/Output Streamlined Advanced Programmable Interrupt Controller用来从设备传递中断给处理器里面的本地APIC(local APIC)。应用于安腾处理器(Itanium)。和APIC的不同可以看看Intel® Itanium® Processor Family Interrupt Architecture Guide ,PDF文档的最后一章会讲到不同点。
  • 老式的(Legacy)
这是一种电脑状态,在这个电脑状态下电源管理策略是由平台硬件/固件决定的。在如今的系统中,传统电源管理特性被用来支持安装有传统OS的电脑中的电源管理,这种传统OS并不支持OS直接管理电源架构(OS-directed power management architecture)。
  • 老式的硬件(Legacy Hardware)
没有ACPI或者OSPM电源管理支持的电脑系统。
  • 老式的操作系统(Legacy OS)
此類的作業系統無法得知或對系統的電源管理功能做管理,包含在此類型內的如一些支援APM 1.x的作業系統。
  • 本地APIC(Local APIC)
接收来自I/O APIC的中断。
  • 本地SAPIC(Local SAPIC)
接收来自I/O SAPIC的中断。关于SAPIC,请看“I/O SAPIC”。
  • 复合APIC描述表(Multiple APIC Description Table (MADT))
它被用在支持APIC和SAPIC的系统上,以描述APIC的实现。Following the MADT is a list of APIC/SAPIC structures that declare the APIC/SAPIC features of the machine.
  • 对象(Object)
ACPI Namespace的节点就是objects,这些objects被OS用system definition tables中的信息插入tree。这些objects可以是数据对象(data objects),包对象(package objects),控制方法对象(control method objects)等。包对象refer to其他对象(objects)。对象同样拥有类型(type),大小(size),和相对名称(relative name)。
  • 对象名(Object name)
ACPI Namespace的一部分。有一组规则for naming objects。
  • 操作系统直接电源管理(Operating System-directed Power Management (OSPM))
电源(和系统)管理的一个模型,在其中OS扮演重要的角色,使用全局信息为手边的任务优化系统行为(system behavior)。
  • 包(Package)
一组objects。
  • 电源开关(Power Button)
用户按的按钮或者其他有触点的开关(switch contact)设备,通过它可以把系统从睡眠或者soft off状态切换到工作状态,还可以给OS发送信号使OS从睡眠或者soft off状态恢复到工作状态。
  • 电源管理(Power Management)
一种最小化系统电源消耗的软硬件机制,管理系统热量限制,延长系统电池使用时间(battery life)。电源管理在系统速度,噪音,电池使用时间,处理器速度,还有电源消耗之间取得平衡。一些system functions,比如appliance (for example, answering machine, furnace control) operations,需要电源管理。
  • 电源资源(Power Resources)
设备需要的资源(比如power planes和clock sources),设备需要在给定的电源状态下对这些资源进行操作。
  • 电源来源(Power Sources)
  • 寄存器分组(Register Grouping)
由两个寄存器块组成(它有两个指向两个不同寄存器块的指针)。在寄存器分组(register grouping)内部的固定位可以被在两个寄存器块(register blocks)之间拆分。这就允许了在寄存器分组内部的位可以被在两个芯片(chips)之间拆分。
  • 保留位(Reserved Bits)
在ACPI硬件寄存器中有一些没有被使用的位,在ACPI规范中被称为保留位。为了未来能够扩展,硬件寄存器保留位总是被归零,并且写入的数据不会造成其他的影响。OSPM的实现必须往所有使能和状态寄存器的保留位写“0”,同样还要往控制寄存器(control registers)的preserve bits写“0”
  • 根系统描述指针(Root System Description Pointer (RSDP))
兼容ACPI的系统必须在系统低地址空间(system’s low address space)提供一个RSDP。这种结构的唯一目的就是提供RSDT和XSDT的物理地址。
  • 根系统描述表(Root System Description Table (RSDT))
signature为RSDT的table,它跟随在一组指向其他系统描述表(system description tables)的物理指针之后。OS通过跟随RSDP结构中的指针来定位RSDT。

状态[编辑]

全局状态(Global System States)[编辑]

ACPI规范定义了一台兼容ACPI的计算机系统可以有以下七个状态(所谓的全局状态):

  • G0('S0)正常工作状态:计算机的正常工作状态-操作系统和应用程序都在运行。CPU(s)执行指令。 在这个状态下(即没有进入G1睡眠),CPU和像硬盘、DVD驱动器等等这些的设备可以一再的进入和从低能源状态回来,叫做C0-CnD0-D3。(例如膝上型计算机,当使用电池运行的时候通常关掉所有当前未使用的设备;一些桌上型计算机也这么做来减少噪声。)
  • G1 睡眠 细分为从S1到S4这四种状态。系统从这几种状态被唤醒到G0运行唤醒等待时间)所需的时间最短的是S1,其次是S2和S3,最後是S4。此外/sys/power/state對應的關鍵字與狀態: standby(S1), mem(S3), disk(S4)
    • S1:最耗电的睡眠模式。处理器的所有寄存器被刷新,并且CPU停止执行指令。CPU内存的电源一直维持着,一些设备如果没有被使用那么就会被停止供电。这种模式通常指上电待机或者简单叫做POS,特别在BIOS设置界面上。一些新式的计算机不再支持S1;老式的电脑对S1支持可能要比S3好。
    • S2:一个比S1更深的睡眠状态,已经不给CPU供电了;然而,通常这种模式并不被采用。
    • S3 :在BIOS中叫做"挂到内存" (Suspend to RAM/STR),在Windows XP以后的Windows版本和一些Linux发行版中叫做"待机(Standby)", 在Windows VistaMac OS X则叫做"睡眠(Sleep)",虽然ACPI规范仅仅提到术语"S3"和"睡眠(Sleep)"。在这个状态下,主存储器(RAM)仍然有电源供给,尽管它也是几乎唯一的有电源供给的元件。因为操作系统、所有应用程序和被打开的文档等等的状态都是保存在主存储器中,用户可以把工作恢复到正好上次他们保持的状态-计算机从S3状态回来时主存储器的内容和它进入S3状态时候的内容是相同象的。(规范中提到了S3和S2是相当类似的,只有更多的元件在S3状态下会被关掉电源。) 相比较S4来说S3有两个好处;计算机恢复的过程比重启要快,第二,如果任何正在运行的应用程序(被打开的文档等等)有私有信息在里面,这些信息是不会被写到硬盘上的。然而,在系统不能被唤醒比如遇到了电源故障的时候, 高速缓冲存储器可能会被flushed来防止数据毁坏。
    • S4: 在Windows中叫休眠, 在Mac OS X中叫作安全睡眠,也称为挂到硬盘,虽然ACPI规范中只提到了一个术语S4main article:Hibernate(OS feature))。在这个状态下,所有主存储器的内容被储存在非挥发性存储器,例如硬盘,保护操作系统当前的状态,包括所有应用程序,打开的文档等.这意味着从S4恢复后,用户可以恢复到原本的工作状态,采用的方法和S3是一样的。S4和S3之间的差异是,除了把主存储器中的内容移进移出所消耗的时间以外,在S3状态下的时候如果一旦停电了,所有主存储器上的数据就会丢失,包括所有的没有保存的文档,而在S4状态下则没有影响.S4和其他的S状态有很大不同,事实上更类似G2Soft Off状态和G3 Mechanical Off状态,而不是S1-S3.在S4状态下的系统同样可进入G3(Mechanical Off)状态,并且保留S4时候的状态信息.所以它可以恢复到以前的运行状态在关掉电源之后.
  • G2S5Soft Off--G2S5,和Soft Off都是相同的叫法。G2和G3Mechanical Off几乎是相同的,但有些部件仍然带电,使计算机仍然可以被键盘、时钟、數據機(电话唤醒)、LAN(网络唤醒)还有USB设备所唤醒。[1]在启动系统从G2恢复到G0正常工作模式的过程中,无论是G3 Mechanical Off还是G2都得运行启动程式来启动操作系统。

此外,当操作系统在不支持ACPI的情况下运行,这种状态被定义为Legacy。在这个状态下,硬件和电源不是通过ACPI来管理的,实际上已经禁用了ACPI。

(参考资料:ACPI规范3.0b版的链接在下面 External links, 查看chapter 7.3.4)

设备电源状态(Device Power State)[编辑]

设备状态对于用户来说往往是不可见的,比如当一个设备已经没有电源供应的时候,可能整个系统还是在工作状态,光驱应该是一个很好的例子吧。 设备状态是与设备相关的状态,他们的定义和以下四个因素有关:

电源消耗(Power consumption),设备用电量的多少。

设备状态/环境(Device context),设备(从D0进入其他状态的时候)保留了多少原来的状态/环境。操作系统负责保存丢失的设备状态/环境。

设备驱动(Device driver),让设备恢复到D0,驱动程序应该做什么(或者做多少)。

设备状态有一下几个:

  • D0 Fully-On 是(正常)工作状态,电源消耗量最多,设备是完全被相应的,并且设备保留了全部的设备状态/环境。
  • D1 和 D2是中间电源状态,它的定义根据设备的不同而有所不同。
  • D3 Off是设备电源关闭所以对总线来说是没有相应的。设备状态/环境全部丢失,操作系统会重新初始化设备当重新给它加电的时候。这个状态下的设备恢复到D0相比之下需要最长的时间。


设备状态总结
设备状态 电源消耗 保留设备状态信息 驱动程序恢复
D1 D0>D1>D2>D3 >D2 <D2
D2 D0>D1>D2>D3 <D1 >D1
D3 - Off 0 没有保留 完全初始化并且装载

处理器电源状态(Processor Power State)[编辑]

处理器电源状态(C0到C3状态,后面还有Cn)是指在G0状态下(只对G0状态有效,在其他状态下不予讨论)的处理器电能消耗和温度管理的状态。

只有C0状态下CPU才会执行指令,C1到Cn状态下CPU都处于各种不同程度的睡眠状态(Sleeping States),在这睡眠状态下,CPU都有一个恢复到C0的唤醒时间latency),它是和CPU的电能消耗有关的,通常,用电能量越小意味着得花更长的时间恢复到C0状态,也就是唤醒时间越长。

当在C0状态下时,ACPI允许通过定义节流阀(throttling)过程,和通过进去多性能状态(multiple performance states,P-states)来改变处理器的性能。

各个状态的定义如下所示:

  • C0是正常工作状态,当处理器处于这种状态下的时候,它能正常处理指令
  • C1(通常称为Halt)拥有最短的唤醒时间,这个延时必须短到操作系统软件使用CPU的时候不会考虑到唤醒时间方面的因素。一些处理器,比如说奔腾4Pentium 4),支持C1E(Enhanced C1 state)这样的低电能消耗技术。

这个状态是不被软件所见的。

  • C2 (通常称为Stop-Clock),这个状态下处理器维持着所有的软件所见的状态信息,但是需要更长的时间来恢复到C0。这个状态下情况最坏的硬件唤醒时间是由ACPI固件提供,并且操作系统软件可以利用这些信息来决定是采用C1而不是C2状态,C2比C1更省电。
  • C3 (通常称为Sleep),相比C1和C2更省电了。这个状态下情况最坏的硬件唤醒时间是由ACPI固件提供,并且操作系统软件可以利用这些信息来决定是采用C2而不是C3状态,当处于C3状态时,处理器缓存保留了所有的状态信息,但是忽略所有的侦听。操作系统软件负责保证缓存数据的一致性。

设备和处理器性能状态(Device and Processor Performance States)[编辑]

设备和处理器性能状态(Px状态)是在C0(对于处理器)和D0(对于设备)下定义的电源消耗和能力的状态。性能状态允许OSPM在性能和能源消耗之间取得平衡。P0是最高性能状态,从P1到Pn是连续的低性能状态,最高限制n为16。

  • P0状态,使用最大性能并且消耗的电能最多。
  • P1状态,性能比前者要小,但是消耗电能也相应少一些。
  • Pn状态,n是的大小是依赖于处理器和设备的,处理器和设备可以定一个任意的不超过16的数字。

这个状态在Intel处理器中称为SpeedStep,在AMD处理器中称为PowerNow!Cool'n'Quiet,在VIA处理器中称为PowerSaver

参考文献[编辑]