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高級配置與電源接口

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高級配置與電源接口英文Advanced Configuration and Power Interface縮寫ACPI),是1997年由英特爾微軟東芝公司共同提出、制定提供操作系統應用程序管理所有電源管理接口,是一種工業標準,包括了軟件和硬件方面的規範。2000年8月康柏和鳳凰科技加入,推出 ACPI 2.0規格。2004年9月惠普取代康柏,推出 ACPI 3.0規格。2009年6月16日則推出 ACPI 4.0規格。2011年11月23日推出ACPI 5.0規格。由於ACPI技術正被多個操作系統和處理器架構採用,該規格的管理模式需要與時俱進。2013年10月,ACPI的推廣者們一致同意將ACPI的屬有歸到UEFI論壇。今後新的ACPI規格將由UEFI論壇制定。

概要[編輯]

作為標準中最廣為認可的部分,電源管理經歷了較多的改進。

早先,進階電源管理(APM, Advanced Power Management)將電源管理幾乎完全分配給BIOS控制,這大大的限制了操作系統在控制電能消耗方面的功能。

當前,ACPI的電源管理特性以前只適用從便攜式計算機(例如膝上型計算機)到桌上型電腦工作站服務器。例如,系統可能會進入極低功率消耗狀態。這些就是可利用在多數桌面型電腦上的「睡眠」和「休眠」設置。睡眠和休眠狀態可以通過移動鼠標,按鍵盤按鍵,從另外一台電腦接收一條信息(如果連接到了一個局域網)或者重大系統錯誤來喚醒系統。

現在,如果ACPI在BIOS和其他系統硬件中被實現,它就可以由操作系統所調用(觸發)。

ACPI可以實現的功能包括:

  • 系統電源管理(System power management)
  • 設備電源管理(Device power management)
  • 處理器電源管理(Processor power management)
  • 設備和處理器性能管理(Device and processor performance management)
  • 配置/即插即用(Configuration/Plug and Play)
  • 系統事件(System Event)
  • 電池管理(Battery management)
  • 溫度管理(Thermal management)
  • 嵌入式控制器(Embedded Controller)
  • SMBus控制器(SMBus Controller)

Windows 98是微軟第一個支持ACPI的操作系統FreeBSD v5.0是支持ACPI的第一個UNIX操作系統 [來源請求]LinuxNetBSDOpenBSD都支持ACPI。

ACPI術語[編輯]

  • 高級配置電源管理接口(Advanced Configuration and Power Interface (ACPI))
按照在本文中的定義, ACPI是一種描述硬件接口的方法,要足夠抽象以允許靈活創新的硬件實現,並且足夠具體以允許shrink-wrap OS code使用這個硬件接口
  • ACPI硬件(ACPI Hardware)
它是一種電腦硬件,具有支持OSPM所必備的特性,而且還具有特定的接口,這些接口的特性是由ACPI規範所指定的描述表(Description Tables)所描述的。
  • ACPI命名空間(ACPI Namespace)
一個樹狀層次機構,在受操作系統控制的內存裡面,這段內存裡面包含命名對象(named objects)等。這些對象(objects)可以是數據對象,控制方法對象,總線/設備包對象等。操作系統通過從駐留在 ACPI BIOS 中的 ACPI Tables 載入載出(loading and/or unloading)定義塊(definition blocks),來動態改變命名空間(namespace)的內容。在ACPI Namespace 中的所有信息都來自 Differentiated System Description Table (DSDT),DSDT 裡面包含了 Differentiated Definition Block 還有一個或者多個其他的定義塊(definition blocks)。
  • ACPI機器語言(ACPI Machine Language (AML))
是一種由ACPI兼容的OS支持的虛擬機的偽代碼(Pseudo-code),裡面寫有ACPI控制方法和控制對象。
  • 高級可編程中斷控制器(Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC))
一個中斷控制器架構,通常多見於Intel32位架構(Intel Architecture-based 32-bit)的PC系統。APIC架構支持多處理器中斷管理(中斷均勻的分布在所有處理器),多I/O子系統支持,與8259A兼容,並且支持處理器內部中斷(Inter-Processor Interrupt, IPI)。這個架構由直屬於處理器的本地APICs(Local APICs)和在(南橋)芯片中的I/O APIC組成。
  • ACPI源語言(ACPI Source Language (ASL))
一種和AML等同的編程語言。ASL編譯以後就是AML鏡像(AML images)。
  • 控制方法(Control Method)
控制方法定義OS如何執行一個簡單的硬件任務。例如,OS調用控制方法(Control Method)去讀取一個高溫區的溫度。控制方法是用一種叫做AML的編碼語言寫的,AML可以被兼容ACPI的OS所解釋並執行。ACPI兼容的系統必須在ACPI table中提供一組最小的控制方法。OS提供一組well-defined 的控制方法,以使ACPI table開發者能夠在他們的控制方法中引用。OEM廠商可以通過,要麼Including control methods in the BIOS that test configurations and respond as needed,要麼為芯片組的不同修訂版包含一組不同的控制方法,來使一個BIOS能夠同時支持芯片組的不同修訂版。
  • 中央處理器或者處理器(Central Processing Unit (CPU) or Processor)
  • 定義區塊(Definition Block)
Definition Blockl以數據和控制方法(編碼成AML)的形式包含關於硬件實現和配置詳細信息。OEM廠商可以在ACPI Tables中提供一個或者多個Definition Blocks。有一個definition block是必須被提供:那就是Differentiated Definition Block,它描述了基本的系統。在裝載Differentiated Definition Block之後,緊接着OS會把Differentiated Definition Block的內容插入到ACPI Namespace。OS可以動態的從the active ACPI Namespace插入和刪除的其他definition blocks,可以包含指向Differentiated Definition Block的引用。
  • 裝置(Device)
  • 裝置上下文(Device Context)
裝置中包含的變化的數據;通常是易失性(volatile)數據。當進入或者離開特定的狀態(states)的時候,設備應該忘記這些信息,在這種情況下OS軟件負責保存並恢復這些信息。設備上下文(Device Context)指的是包含在設備周邊的小數量的信息。同樣可以看看System Context。
  • 區分系統描述表(Differentiated System Description Table (DSDT))
OEM廠商必須為ACPI兼容的OS提供一個DSDT。這個DSDT包含Differentiated Definition Block,它能提供關於基本系統的實現和配置信息。OS總是在ACPI Namespace中插入DSDT信息,當系統啟動的時候,而且絕不會刪除它。
它是一個在OS和固件平台之間的接口。這個接口的形式是一種包含有平台相關信息的數據表,and boot and run-time service calls that are available to the OS and loader。這些一起為啟動OS提供一個標準的環境。
  • 嵌入式控制器(Embedded Controller)
  • 嵌入式控制器介面(Embedded Controller Interface)
  • 韌體ACPI控制結構(Firmware ACPI Control Structure (FACS))
在讀寫內存中的一種結構,BIOS用它來實現韌體和OS之間的信息交換(handshaking )。通過FADT(Fixed ACPI Description Table)FACS被轉到兼容ACPI的OS中。FACS包含上次啟動時的系統硬件簽名,firmware waking vector,和Global Lock。
  • 固定ACPI描述表(Fixed ACPI Description Table (FADT))
一個包含ACPI 硬件寄存器塊(Hardware Register Block)的實現和配置詳細信息的表,OS需要用這些配置信息來直接管理ACPI硬件寄存器塊和DSDT的物理地址,DSDT則包含其他平台的實現和配置詳細信息。 OEM廠商必須在RSDT/XSDT中提供FADT給兼容ACPI的OS。當系統啟動的時候,OS則總是把已經定義好了的namespace信息(它存在於DSDT的Differentiated Definition Block中)插入到ACPI Namespace,並且OS絕不會刪除它。
  • 固定特徵(Fixed Features)
ACPI接口提供的一組特徵。ACPI規範限制硬件編程模型(hardware programming model)在哪產生還有如何產生的。所有的Fixed Features,如果被使用了,會按照本片規範中的描述進行實現,以使OSPM能夠直接訪問Fixed Features寄存器(fixed feature registers)。
  • 固定特徵事件(Fixed Feature Events)
一組事件,當Fixed Feature寄存器中的一對狀態和事件位(event bits)被在同一時間設定時,這組事件會在ACPI接口處發生。當一個Fixed Feature時間發生時,系統控制中斷(SCI,system control interrupt)is raised。對於ACPI Fixed Feature Events來說OSPM(or an ACPI-aware driver)扮演事件的處理者。
  • 固定特徵寄存器(Fixed Feature Registers)
一組在fixed feature register space中的硬件寄存器,fixed feature register space在系統I/O地址空間的特殊的地址里。ACPI為fixed features定義了寄存器塊(register blocks)(每個寄存器塊從FADT那裡得到一個單獨的指針)
  • 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.
  • 一般特徵(Generic Feature)
  • 全局系統狀態(Global System States)
Global System States適用於整個系統,而且對於用戶是可見的。各種不同的Global System States在ACPI規範中是從G0標記到G3的。
  • 省略位(Ignored Bits)
在ACPI硬件寄存器中的一些沒有被使用的位(bits),在ACPI規範中會指定這些位是「ignored」的。在讀的時候,軟件會忽略ACPI硬件寄存器中的Ignored Bits位(而不去讀取它),寫的時候,會保護Ignored Bits(不去寫這寫位)。
  • Intel個人電腦架構(Intel Architecture-Personal Computer (IA-PC))
一種對於計算機的一般描述術語,這種計算機的處理器架構符合Intel處理器家族基於Intel架構指令集(Intel Architecture instruction set)的定義,並且有工業標準(industry-standard)PC的結構。
  • I/O APIC(Input/Output Advanced Programmable Interrupt Controller)
一個輸入輸出高級可編程中斷控制器,用來從設備傳遞中斷給處理器裡面的本地APIC(local APIC)。
  • I/O SAPIC
An Input/Output Streamlined Advanced Programmable Interrupt Controller用來從設備傳遞中斷給處理器裡面的本地APIC(local APIC)。應用於安騰處理器(Itanium)。和APIC的不同可以看看Intel® Itanium® Processor Family Interrupt Architecture Guide ,PDF文檔的最後一章會講到不同點。
  • 老式的(Legacy)
這是一種電腦狀態,在這個電腦狀態下電源管理策略是由平台硬件/固件決定的。在如今的系統中,傳統電源管理特性被用來支持安裝有傳統OS的電腦中的電源管理,這種傳統OS並不支持OS直接管理電源架構(OS-directed power management architecture)。
  • 老式的硬件(Legacy Hardware)
沒有ACPI或者OSPM電源管理支持的電腦系統。
  • 老式的操作系統(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)
接收來自I/O APIC的中斷。
  • 本地SAPIC(Local SAPIC)
接收來自I/O SAPIC的中斷。關於SAPIC,請看「I/O SAPIC」。
  • 複合APIC描述表(Multiple APIC Description Table (MADT))
它被用在支持APIC和SAPIC的系統上,以描述APIC的實現。Following the MADT is a list of APIC/SAPIC structures that declare the APIC/SAPIC features of the machine.
  • 對象(Object)
ACPI Namespace的節點就是objects,這些objects被OS用system definition tables中的信息插入tree。這些objects可以是數據對象(data objects),包對象(package objects),控制方法對象(control method objects)等。包對象refer to其他對象(objects)。對象同樣擁有類型(type),大小(size),和相對名稱(relative name)。
  • 對象名(Object name)
ACPI Namespace的一部分。有一組規則for naming objects。
  • 操作系統直接電源管理(Operating System-directed Power Management (OSPM))
電源(和系統)管理的一個模型,在其中OS扮演重要的角色,使用全局信息為手邊的任務優化系統行為(system behavior)。
  • 包(Package)
一組objects。
  • 電源開關(Power Button)
用戶按的按鈕或者其他有觸點的開關(switch contact)設備,通過它可以把系統從睡眠或者soft off狀態切換到工作狀態,還可以給OS發送信號使OS從睡眠或者soft off狀態恢復到工作狀態。
  • 電源管理(Power Management)
一種最小化系統電源消耗的軟硬件機制,管理系統熱量限制,延長系統電池使用時間(battery life)。電源管理在系統速度,噪音,電池使用時間,處理器速度,還有電源消耗之間取得平衡。一些system functions,比如appliance (for example, answering machine, furnace control) operations,需要電源管理。
  • 電源資源(Power Resources)
設備需要的資源(比如power planes和clock sources),設備需要在給定的電源狀態下對這些資源進行操作。
  • 電源來源(Power Sources)
  • 寄存器分組(Register Grouping)
由兩個寄存器塊組成(它有兩個指向兩個不同寄存器塊的指針)。在寄存器分組(register grouping)內部的固定位可以被在兩個寄存器塊(register blocks)之間拆分。這就允許了在寄存器分組內部的位可以被在兩個芯片(chips)之間拆分。
  • 保留位(Reserved Bits)
在ACPI硬件寄存器中有一些沒有被使用的位,在ACPI規範中被稱為保留位。為了未來能夠擴展,硬件寄存器保留位總是被歸零,並且寫入的數據不會造成其他的影響。OSPM的實現必須往所有使能和狀態寄存器的保留位寫「0」,同樣還要往控制寄存器(control registers)的preserve bits寫「0」
  • 根系統描述指針(Root System Description Pointer (RSDP))
兼容ACPI的系統必須在系統低地址空間(system’s low address space)提供一個RSDP。這種結構的唯一目的就是提供RSDT和XSDT的物理地址。
  • 根系統描述表(Root System Description Table (RSDT))
signature為RSDT的table,它跟隨在一組指向其他系統描述表(system description tables)的物理指針之後。OS通過跟隨RSDP結構中的指針來定位RSDT。

狀態[編輯]

全局狀態(Global System States)[編輯]

ACPI規範定義了一台兼容ACPI的計算機系統可以有以下七個狀態(所謂的全局狀態):

  • G0('S0)正常工作狀態:計算機的正常工作狀態-操作系統和應用程序都在運行。CPU(s)執行指令。 在這個狀態下(即沒有進入G1睡眠),CPU和像硬盤、DVD驅動器等等這些的設備可以一再的進入和從低能源狀態回來,叫做C0-CnD0-D3。(例如筆記型電腦,當使用電池運行的時候通常關掉所有當前未使用的設備;一些桌上型電腦也這麼做來減少噪聲。)
  • G1 睡眠 細分為從S1到S4這四種狀態。系統從這幾種狀態被喚醒到G0運行喚醒等待時間)所需的時間最短的是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:最耗電的睡眠模式。處理器的所有寄存器被刷新,並且CPU停止執行指令。CPU內存的電源一直維持着,一些設備如果沒有被使用那麼就會被停止供電。這種模式通常指上電待機或者簡單叫做POS,特別在BIOS設置界面上。一些新式的計算機不再支持S1;老式的電腦對S1支持可能要比S3好。
    • S2:一個比S1更深的睡眠狀態,已經不給CPU供電了;然而,通常這種模式並不被採用。
    • S3 :在BIOS中叫做"掛到內存" (Suspend to RAM/STR),在Windows XP以後的Windows版本和一些Linux發行版中叫做"待機(Standby)", 在Windows VistaMac OS X則叫做"睡眠(Sleep)",雖然ACPI規範僅僅提到術語"S3"和"睡眠(Sleep)"。在這個狀態下,主存儲器(RAM)仍然有電源供給,儘管它也是幾乎唯一的有電源供給的元件。因為操作系統、所有應用程序和被打開的文檔等等的狀態都是保存在主存儲器中,用戶可以把工作恢復到正好上次他們保持的狀態-計算機從S3狀態回來時主存儲器的內容和它進入S3狀態時候的內容是相同象的。(規範中提到了S3和S2是相當類似的,只有更多的元件在S3狀態下會被關掉電源。) 相比較S4來說S3有兩個好處;計算機恢復的過程比重啟要快,第二,如果任何正在運行的應用程序(被打開的文檔等等)有私有信息在裡面,這些信息是不會被寫到硬盤上的。然而,在系統不能被喚醒比如遇到了電源故障的時候, 高速緩衝存儲器可能會被flushed來防止數據毀壞。
    • S4: 在Windows中叫休眠, 在Mac OS X中叫作安全睡眠,也稱為掛到硬盤,雖然ACPI規範中只提到了一個術語S4main article:Hibernate(OS feature))。在這個狀態下,所有主存儲器的內容被儲存在非易失性存儲器,例如硬盤,保護操作系統當前的狀態,包括所有應用程序,打開的文檔等.這意味着從S4恢復後,用戶可以恢復到原本的工作狀態,採用的方法和S3是一樣的。S4和S3之間的差異是,除了把主存儲器中的內容移進移出所消耗的時間以外,在S3狀態下的時候如果一旦停電了,所有主存儲器上的數據就會丟失,包括所有的沒有保存的文檔,而在S4狀態下則沒有影響.S4和其他的S狀態有很大不同,事實上更類似G2Soft Off狀態和G3 Mechanical Off狀態,而不是S1-S3.在S4狀態下的系統同樣可進入G3(Mechanical Off)狀態,並且保留S4時候的狀態信息.所以它可以恢復到以前的運行狀態在關掉電源之後.
  • G2S5Soft Off--G2S5,和Soft Off都是相同的叫法。G2和G3Mechanical Off幾乎是相同的,但有些部件仍然帶電,使計算機仍然可以被鍵盤、時鐘、數據機(電話喚醒)、LAN(網絡喚醒)還有USB設備所喚醒。[1]在啟動系統從G2恢復到G0正常工作模式的過程中,無論是G3 Mechanical Off還是G2都得運行啟動程式來啟動操作系統。

此外,當操作系統在不支持ACPI的情況下運行,這種狀態被定義為Legacy。在這個狀態下,硬件和電源不是通過ACPI來管理的,實際上已經禁用了ACPI。

(參考資料:ACPI規範3.0b版的鏈接在下面 External links, 查看chapter 7.3.4)

設備電源狀態(Device Power State)[編輯]

設備狀態對於用戶來說往往是不可見的,比如當一個設備已經沒有電源供應的時候,可能整個系統還是在工作狀態,光驅是一個很好的例子。 設備狀態是與設備相關的狀態,他們的定義和以下四個因素有關:

電源消耗(Power consumption),設備用電量的多少。

設備狀態/環境(Device context),設備(從D0進入其他狀態的時候)保留了多少原來的狀態/環境。操作系統負責保存丟失的設備狀態/環境。

設備驅動(Device driver),讓設備恢復到D0,驅動程序應該做什麼(或者做多少)。

設備狀態有一下幾個:

  • D0 Fully-On 是(正常)工作狀態,電源消耗量最多,設備是完全被相應的,並且設備保留了全部的設備狀態/環境。
  • D1 和 D2是中間電源狀態,它的定義根據設備的不同而有所不同。
  • D3 Off是設備電源關閉所以對總線來說是沒有相應的。設備狀態/環境全部丟失,操作系統會重新初始化設備當重新給它加電的時候。這個狀態下的設備恢復到D0相比之下需要最長的時間。


設備狀態總結
設備狀態 電源消耗 保留設備狀態信息 驅動程序恢復
D1 D0>D1>D2>D3 >D2 <D2
D2 D0>D1>D2>D3 <D1 >D1
D3 - Off 0 沒有保留 完全初始化並且裝載

處理器電源狀態(Processor Power State)[編輯]

處理器電源狀態(C0到C3狀態,後面還有Cn)是指在G0狀態下(只對G0狀態有效,在其他狀態下不予討論)的處理器電能消耗和溫度管理的狀態。

只有C0狀態下CPU才會執行指令,C1到Cn狀態下CPU都處於各種不同程度的睡眠狀態(Sleeping States),在這睡眠狀態下,CPU都有一個恢復到C0的喚醒時間latency),它是和CPU的電能消耗有關的,通常,用電能量越小意味着得花更長的時間恢復到C0狀態,也就是喚醒時間越長。

當在C0狀態下時,ACPI允許通過定義節流閥(throttling)過程,和通過進去多性能狀態(multiple performance states,P-states)來改變處理器的性能。

各個狀態的定義如下所示:

  • C0是正常工作狀態,當處理器處於這種狀態下的時候,它能正常處理指令
  • C1(通常稱為Halt)擁有最短的喚醒時間,這個延時必須短到操作系統軟件使用CPU的時候不會考慮到喚醒時間方面的因素。一些處理器,比如說奔騰4Pentium 4),支持C1E(Enhanced C1 state)這樣的低電能消耗技術。

這個狀態是不被軟件所見的。

  • C2 (通常稱為Stop-Clock),這個狀態下處理器維持着所有的軟件所見的狀態信息,但是需要更長的時間來恢復到C0。這個狀態下情況最壞的硬件喚醒時間是由ACPI固件提供,並且操作系統軟件可以利用這些信息來決定是採用C1而不是C2狀態,C2比C1更省電。
  • C3 (通常稱為Sleep),相比C1和C2更省電了。這個狀態下情況最壞的硬件喚醒時間是由ACPI固件提供,並且操作系統軟件可以利用這些信息來決定是採用C2而不是C3狀態,當處於C3狀態時,處理器緩存保留了所有的狀態信息,但是忽略所有的偵聽。操作系統軟件負責保證緩存數據的一致性。

設備和處理器性能狀態(Device and Processor Performance States)[編輯]

設備和處理器性能狀態(Px狀態)是在C0(對於處理器)和D0(對於設備)下定義的電源消耗和能力的狀態。性能狀態允許OSPM在性能和能源消耗之間取得平衡。P0是最高性能狀態,從P1到Pn是連續的低性能狀態,最高限制n為16。

  • P0狀態,使用最大性能並且消耗的電能最多。
  • P1狀態,性能比前者要小,但是消耗電能也相應少一些。
  • Pn狀態,n是的大小是依賴於處理器和設備的,處理器和設備可以定一個任意的不超過16的數字。

這個狀態在Intel處理器中稱為SpeedStep,在AMD處理器中稱為PowerNow!Cool'n'Quiet,在VIA處理器中稱為PowerSaver

參考文獻[編輯]