что такое power off energy saving в биосе
Учимся настраивать БИОС
Многие считают BIOS отдельной микросхемой на материнской плате. На самом деле базовая система ввода/вывода представляет собой набор микропрограмм, записанный на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Именно его часто называют «биосом».
В момент включения компьютера программы, содержащиеся в ПЗУ, обеспечивают возможность работы и первичной настройки всех компонентов компьютера. Они задают параметры и передают на контроллеры соответствующие команды для управления компонентами. Некоторые детали компьютеров имеют собственные BIOS, и связь с ними обеспечивается через подобную систему на материнской плате. Поэтому взаимодействие с жестким диском, Flash-накопителем или sdd возможно еще до запуска операционной системы (ОС).
Кратко подытожив, базовая система выполняет следующие функции:
Во время предварительной загрузки информацию о состоянии компьютера можно оценить по звуковому сигналу. Ошибки загрузки обозначаются разными сигналами.
Базовые настройки системы ввода-вывода
Для доступа к меню настройки BIOS необходимо зажать соответствующую клавишу при загрузке компьютера. Она зависит от производителя компьютера, но чаще всего Del, F2, F8 или F10. При этом дальнейшая загрузка ОС прекращается, и пользователь видит перед собой базовый интерфейс для настройки или получения информации.
Для входа в интерфейс на продукции компании ASUS используется клавиша F2, которая зажимается перед нажатием на кнопку включения. При работе с Windows 10 существует возможно вызвать интерфейс базовой системы перед перезагрузкой ОС. Shift+пункт «Перезагрузка» в меню выключения. В сервисном меню ОС необходимо выбрать пункт «возврат к заводским настройкам и дополнительные», далее дополнительные возможности и «запуск интерфейса UEFI после перезагрузки».
Навигация в режиме настройки BIOS осуществляется с помощью клавиш стрелок, выбор пункта Enter, а изменение значения +/-. При нажатии F1 появляется помощь, F9 возвращает первоначальные настройки, а F10 вызывает выход из интерфейса с сохранением настроек. Для выхода без сохранения настроек необходимо нажать Esc.
Главное меню (Main)
Кроме этого, для удобства пользователя, в правой части экрана в двух окнах указывается, в верхнем, краткая информация о пункте, на котором установлен курсор, а в нижнем – памятка о клавишах управления.
Последовательно на главном экране указана следующая информация о производителях и версиях:
Информация, указанная здесь, не имеет для большинства пользователей никакой пользы. Но во время апгрейда компьютера без замены материнской платы, она становится необходима. По ней можно узнать о совместимости оборудования с новыми комплектующими. Если новая видеокарта отказывается работать, существует возможность обновления BIOS до версии, поддерживающей новое «железо».
При сбросе настроек также происходит сброс системного времени, находясь на этом экране необходимо установить текущею дату и время.
Продвинутые настройки (Advanced)
Раздел меню, позволяющий выполнить тонкую настройку базовой системы. В него входит достаточно большое количество подпунктов, которые варьируются от версии к версии:
Меню загрузки (Boot)
В нем пользователь устанавливает порядок загрузки информации с внешних запоминающих устройств. Здесь также можно выбрать приоритетную загрузку операционной системы при наличии в компьютере двух или более систем. До недавнего момента в этом пункте находилось только разрешение на загрузку с диска или флешки и подменю приоритетной загрузки систем. Два последних пункта отвечали за добавление к загрузочной схеме дополнительных устройств и удалении ненужных.
С постепенным переходом после выхода Windows 8 и 10 на UEFI появляется дополнительный пункт, называющийся Secure Boot, который не позволяет загружать программное обеспечение с неизвестных источников. Это может сильно осложнить запуск ОС с загрузочной флешки или загрузочного диска, даже если они полностью работоспособны. Поэтому при переустановке системы стоит отключить этот пункт.
Быстрой загрузке системы помогает функция Fast Boot, которая обычно всегда включена. За активацию режима совместимости отвечает подпункт Launch CSM, он необходим для тех пользователей, которые хотят переустановить ОС, возможно даже предыдущей версии.
Безопасность (Security)
Безопасность позволяет установить пароли различных уровней при загрузке базовой системы, после ее загрузки и при доступе к HDD-диску.
Первый подпункт отвечает за установку пароля на вход в интерфейс настройки BIOS, при этом возможно разделить заходящих на администраторов и пользователей. Администратор обладает правами изменять все настройки системы, в то время как пользователь сильно ограничен в правах.
За установку паролей отвечают строки Set Administrator Password и Set User Password. После их установки меняются соответствующие пункты Status. Для пароля к HDD принцип схож: строки Set Master Password и Set User Password устанавливают пароли, строка Status сообщает об их наличии.
Меню выхода из интерфейса (Save & Exit)
При окончании работы с интерфейсом настройки базовой системы или получении всей необходимой информации пользователь переходит в этот подпункт.
Далее необходимо выбрать из имеющегося:
Пункт Boot Override позволяет вручную выбрать загружаемую ОС, в случаях, когда их на одном жестком диске больше одной.
Launch EFI shell from file позволяет загружать ОС на жесткий диск с внешних устройств. При этом необходимо использовать оболочку EFI, которая должна находиться на съемном носителе.
Устранение неполадок в BIOS
Большинство пользователей не могут навредить базовой системе своими действиями. Первые проблемы начинаются при попытке улучшения компьютера или ноутбука.
При наращивании количества оперативной памяти или установке новой видеокарты желательно обновить BIOS до самой новой версии. Это поможет избежать аппаратной несовместимости. Обычно в этом случае компьютер просто отказывается видеть новое устройство. После успешной «перепрошивки» ПЗУ данная проблема исчезает.
Для инициализации этой процедуры необходимо использовать либо внутренние подпрограммы, такие как Easy Flash, либо программы в ОС. На сайте производителя компьютера необходимо найти более современную версию БИОСа. Желательно также проверить, будет ли она поддерживать устанавливаемое оборудование, прочитав описание версии.
Обновление версии базовой системы может привести к несовместимости с уже установленным оборудованием, так как ПЗУ имеет ограниченный объем и поддержка новых устройств возможна только за счет удаления из нее информации об устаревших. По этой причине обновление BIOS показано только в случае установки нового оборудования, а при работе компьютера стабильно и отсутствии изменений «профилактическое» перепрограммирование не желательно.
Во время процедуры перезаписи не должно происходить отключения компьютера от сети. Если это произошло, восстановление информации в ПЗУ будет сильно затруднено, скорее всего невозможна и тогда необходима помощь специалиста. Работы по изменению программного обеспечения материнской платы являются ремонтом, поэтому пользователь проводит их на свой страх и риск, лишаясь гарантии при неправильно проведенном.
При установке пароля в базовой системе и невозможности ее настройки для восстановления работоспособности компьютера специально была оставлена возможность аппаратного сброса на заводские параметры. Эта возможность связана с особенностями хранения настроек BIOS. Сама система записана на ПЗУ, а ее настройки находятся в другой памяти, называемой CMOS. Для ее очистки следует найти перемычку или джампер около батарейки системного питания (для работы часов при выключенном компьютере). Также помогает извлечение этой батарейки, если она съемная.
Некоторые материнские платы позволяют настроить шум, издаваемый кулером благодаря регулированию числа оборотов вентилятора. Это полезно при использовании ПК в офисе, где достаточно высок уровень шума, а задачи, выполняемые компьютером, не приведут к перегреву процессора.
Для любителей разгона компонентов системы работа с параметрами BIOS/UEFI становится рутинным занятием. В продвинутых версиях можно настраивать тонкие параметры напряжения и частот прямо через интерфейс базовой системы. Подразумевается, что пользователь знает о последствиях грубой работы с этими параметрами. Обычно такие настройки доступны для дорогих моделей процессоров, материнских плат и видеокарт.
Поступление в продажу SSD-накопителей не решило проблемы работы с огромными объемами данных, которые необходимо быстро считывать с жестких дисков. В этом случае используется технология RAID. Для этого два и более диска объединяются, и информация распределяется по ним согласно специальным алгоритмам. Таким образом можно получить значительный рост скорости и чтения информации. Большая часть настройки происходит в интерфейсе BIOS.
Настройки BIOS в картинках
4. Настройки BIOS в картинках
(Системная плата WinFast. Версия БИОС Phoenix Technologies, LTD 6.00 PG)
«Огласите весь список, пожалуйста!»
Эту известную фразу произнёс персонаж любимой народом комедии Гайдая. А мы в этом контексте рассмотрим, что означают основные группы настроек, которым соответствуют пункты, что мы видим при первоначальном входе в BIOS Setup (рис.1):
Итак, начнём. Что же скрывается под каждым пунктом в главном меню?
Начинаем настройки
Как войти в настройки BIOS написано выше. Приступим к возможным настройкам.
При помощи стрелок клавиатуры «вверх-вниз», «лево-право» выбираем и открываем вкладку Standard CMOS Features (рис.1). Нажимаем Enter:
Из доступных регулировок здесь можно изменить дату и время, параметры жёстких дисков и других накопителей. На рисунке 2 видно, что в системном блоке два жёстких диска. Используйте клавиши со стрелками для перемещения и нажмите клавишу Enter, чтобы выбрать нужную опцию, Esc, чтобы вернуться обратно.
На рис.2 (отмечено зелёным прямоугольником) отображается общий объем памяти системы.
Некоторые источники рекомендуют выбрать привод, переведя к нему курсор, нажать Enter, затем записать значения параметров Цилиндры, Головки, Секторы и LBA, изменить тип накопителя с AUTO на USER и снова ввести те же данные. Если есть режимы LBA Mode, Block Mode и 32-bit Transfer Mode, то их следует включить.
Переходим на следующую по порядку вкладку Tiger Central Control Unit (рис.4,5):
Smart Power LED. Это опция функциональности светодиода, сигнализирующего о включении питания. При установке в Enabled (включено), светодиод частым миганием будет сигнализировать об остановке вентилятора кулера процессора, более редким миганием (с периодом порядка 2 секунд) — о проблемах с монитором или видеокартой, двумя идущими подряд вспышками — об отсутствующих или неисправных модулях оперативной памяти, тремя идущими подряд вспышками — об ошибках во время процедуры самотестирования POST. Значение Disabled (отключено) — будет использоваться стандартный режим работы светодиода.
Smart Boot Menu. При установке значения Enabled (включено), во время загрузки будет появляться дополнительное меню, позволяющее выбрать загрузочный диск вне зависимости от указанного в настройках BIOS Setup. При установке Disabled (отключено) будет использоваться обычный порядок загрузки.
Как запоминающее устройство, DRAM-память представляет собой модуль различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъём, необходимый для подключения модуля к материнской плате (из Википедии).
Если впереди названия опции стоит крестик, значит её регулирование запрещено изготовителем!
Timing Mode. Это опция установки параметров работы оперативной памяти. При выборе значения Auto информация берется из микросхемы SPD модуля памяти. Если же выбрать Manual, то появится возможность подстроить все характеристики памяти вручную с целью получения максимального быстродействия. Если при ручной настройке памяти возникли проблемы (компьютер стал работать нестабильно, появились ошибки при работе программ), вернитесь к автоматическому конфигурированию. Автоматические настройки рекомендуется использовать при установке новых программ и операционной системы.
Memory Clock value or Limit (Рис.6). Параметр, отвечающий за выбор частоты работы памяти. Присутствуют допустимые значения — 400, 533, 667, 800. Может присутствовать вариант Auto (возможно, By SPD), позволяющий считывать информацию о режимах работы модуля из микросхемы SPD.
DQS Training Control. Возможные значения: Perform DQS, Skip DQS. По шине памяти может передаваться специальный строб-сигнал, говорящий о готовности данных. Он позволяет скомпенсировать изменение температуры и дрейф напряжения питания. Эту возможность рекомендуется использовать и выставить значение Perform DQS, а при выборе Skip DQS в отдельных случаях вы можете столкнуться с проблемой нестабильной работы компьютера.
CKE base power down mode. Определяет переход оперативной памяти в энергосберегающий режим. Если эта опция активирована (значение Enabled), то в отсутствии открытых страниц памяти при переходе процессора в энергосберегающий режим, модули будут отключены путем подачи низкого уровня на вход CKE. Если учесть, что выход из энергосберегающего режима приведет к дополнительным тактам ожидания со стороны процессора, можно установить для данной опции Disabled (отключено).
CKE based powerdown. Возможные значения: Per Channel, Per CS. Определяет, как будет происходить отключение в энергосберегающий режим: сразу целыми каналами (Per Channel) или по отдельным микросхемам (Per CS). По умолчанию — первый вариант.
Memory Hole Remapping. Когда общий объём оперативной памяти в системе 4 и более Гб, включение этой опции (Enabled) переносит блоки адресов, используемые картами расширения, в адресное пространство за 4-м Гбайтом. Это позволяет увеличить объем доступной операционной системе памяти (в противном случае операционная система увидит только 3—3.5 Гбайта). Для полноценной поддержки такого объема необходимо использование 64-х разрядных процессоров и 64-х разрядных версий операционных систем (либо серверных версий 32-х разрядных операционных систем, допускающих расширение физических адресов — PAE). При меньшем объеме оперативной памяти обязательно выключите эту опцию (Disabled), иначе возможны проблемы в работе карт расширения, видеокарты (например, зависание или резкое падение производительности в трехмерных играх). Также эту опцию следует отключить, если у вас установлена обычная 32-х разрядная операционная система Windows XP, иначе возможен обратный эффект, когда вместо 3—3.5 Гбайт операционная система будет рапортовать всего о 2 Гбайтах оперативной памяти.
Auto Optimize Bottom IO. При включении опции (Enabled) распределение ресурсов для карт расширения выполняется так, чтобы операционной системе был доступен максимальный объем оперативной памяти. Когда в отдельных случаях это приводит к конфликту между картами расширения, тогда опцию следует перевести в положение Disabled (отключено)
Bottom of [31:24] IO space. Опция уточняет расположение адресного пространства карт расширения. Можно оставить значение по умолчанию (D0), тогда адреса карт расширения будут иметь вид D0xxxxxx). Заниматься оптимизацией есть смысл, только если у вас установлено 4 и более Гб оперативной памяти и вы используете 32-х разрядную операционную систему. Тогда можно попытаться постепенно увеличивать значение опции и перенести начало адресного пространства карт расширения как можно выше, отслеживая отсутствие конфликтов. Это увеличит доступный объем оперативной памяти ОС.
DDRII Timing Item. Эта опция избавляет от ручной установки всех параметров работы оперативной памяти. При выборе значения Enabled информация берется из микросхемы SPD модуля памяти. Если же отключить автоматическое конфигурирование, выбрав Disabled, то становится возможным подстроить все характеристики памяти, добившись максимального быстродействия. Если при ручном конфигурировании памяти возникли проблемы (компьютер стал работать нестабильно, появились ошибки при работе программ), вернитесь к автоматическому конфигурированию. Также рекомендуется использовать автоматическое конфигурирование и при установке новых программ и, особенно, при установке операционной системы.
TwTr Command Delay. Возможные значения: зависят от типа памяти, может присутствовать вариант Auto. Минимальное время между окончанием операции записи и подачей команды на чтение (параметр tWRT или, в других источниках, tWTR). Учитывая, что немногие производители приводят значение этого параметра для своих модулей памяти, оптимальным вариантом будет установка Auto.
Trfc0 for DIMM0. Возможные значения: зависят от типа памяти, может присутствовать вариант Auto. Опция аналогична Row Refresh Cyc Time, только позволяет указать параметры модуля памяти, вставленного в первый разъем.
Trfc1 for DIMM1. Позволяет указать параметры модуля памяти, вставленного во второй разъем.
Trfc2 for DIMM2. Позволяет указать параметры модуля памяти, вставленного в третий разъем.
Trfc3 for DIMM3. Позволяет указать параметры модуля памяти, вставленного в четвёртый разъем.
(Twr) Write Recovery Time. Возможные значения: зависят от типа памяти, может присутствовать вариант Auto. Устанавливает задержку между окончанием операции записи и началом регенерации памяти (часть параметра tRAS). Обычно этот параметр называют временем восстановления для цикла записи, сокращенное обозначение — tWR. Для памяти SDRAM характерны задержки в 1 или 2 такта, DDR SDRAM характеризуется задержками от 1 до 4 тактов, DDR2 SDRAM — от 1 до 6 тактов, DDR3 SDRAM — от 1 до 15 тактов. Поскольку найти правильное значение этого параметра для конкретных модулей памяти бывает достаточно сложно, оптимальным вариантом будет установка Auto.
(Trtp) Precharge Time. Возможные значения: 2, 3, 4, Auto. Минимальный интервал между подачей команды на чтение до команды на предварительный заряд (параметр tRTP). Возможные значения колеблются от 2 до 4 тактов, значение Auto позволяет автоматически установить нужное значение.
(Trc) Row Cycle Time. Возможные значения: зависят от типа памяти, может присутствовать вариант Auto. Задает количество тактов, требуемое на полный цикл доступа к строке данных (параметр tRC в диаграмме доступа). Для SDRAM обычно лежит в диапазоне от 6 до 8 тактов, для DDR SDRAM — от 7 до 11 тактов, для DDR2 SDRAM — от 13 до 20 тактов, для DDR3 SDRAM — от 24 до 40 тактов. Если присутствует вариант Auto, информация берется из микросхемы SPD.
Возвращаемся к параметрам на рис.5 и продолжаем. Для удобства восприятия рис.5 я продублировал:
Tiger Intelligent Stepping. Опция дает возможность произвести автоматический разгон компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти, шин). При выборе значения Auto (или Default) используются стандартные значения всех частот, Manual позволяет регулировать все параметры вручную, а Energy Saving, Office, Data Mining, Power Gaming (как вариант, Step 1, Step 2 и Step 3) представляют собой готовые профили разгона (от минимума к максимуму). Не забывайте, что разгон способен привести к нестабильной работе компьютера.
CPU Frequency. Задает частоту системной шины процессора. В зависимости от версии BIOS, это может быть как физическая частота системной шины, так и эффективная частота передачи данных. Возможные параметры зависят от модели процессора.
CPU Clock Multiplier. Позволяет указать множитель процессора (соотношение частоты работы процессора к физической частоте системной шины). Выставить Auto.
AMD K8 Cool control. Технология энергосбережения от компании AMD. При малой нагрузке или простое процессор автоматически уменьшает частоту и напряжение питания, снижая, таким образом, свое энергопотребление. Как только нагрузка возрастает, частота и напряжение автоматически поднимаются до своих нормальных значений. Рекомендуется всегда использовать эту технологию (Auto).
PCI/SATA/HT Spread Spectrum. Включение этих трёх опций способно уменьшить уровень электромагнитного излучения компьютера за счет худшей формы сигналов шины PCI Express/шины, SATA/шины, HyperTransport соответственно. Конечно, эти функции можно выключить, если Вы особо увлечены разгоном компьютера.
CPU Vcore Over Voltage Setting. Позволяет вручную повысить напряжение питания ядра процессора. Установите Default, если вы не занимаетесь разгоном, в этом случае будет использовано штатное значение напряжения питания. Не рекомендуется увеличивать напряжение питания ядра процессора более чем на 0.2 В относительно штатного значения (оно приводится на упаковке процессора, его показывают многие диагностические утилиты, нередко оно отображается непосредственно в BIOS Setup), иначе велика вероятность выхода процессора из строя. Не забывайте и про достаточное охлаждение — даже незначительное увеличение напряжения ощутимо повышает тепловыделение процессора.
DRAM Voltage Select. Позволяет вручную указать напряжение питания модулей памяти. Установка завышенного напряжения питания позволяет достичь более высоких частот работы памяти, одновременно сохраняя приемлемыми задержки при обращении к ней. Если вы не занимаетесь оверклокингом, лучше оставить штатное напряжение питания модулей памяти. Не рекомендуется увеличивать напряжение питания модулей памяти более чем на 0.2 В относительно штатного значения (особенно для обычной памяти, не адресованной оверклокерам), иначе велика вероятность выхода модулей из строя. Не забывайте про достаточное охлаждение (дополнительные корпусные вентиляторы) при разгоне модулей памяти — увеличение напряжения питания заметно повышает их тепловыделение.
DRAM Voltage Select. Позволяет вручную задать напряжение питания системного контроллера чипсета. Его увеличение способно в некоторых случаях повысить разгонный потенциал материнской платы. Если вы не занимаетесь оверклокингом, используйте значение Default. Не рекомендуется повышать напряжение питания системного контроллера чипсета более чем на 0.2 В относительно штатного значения, иначе есть риск выхода из строя материнской платы. Не забывайте и про достаточное охлаждение (дополнительные корпусные вентиляторы) — увеличение напряжения повышает тепловыделение чипсета.
LDT Voltage Select. Дает возможность поднять напряжение шины HyperTransport, используемой в качестве системной современными процессорами AMD. Необходимость в этом может возникнуть при разгоне процессора, как одна из мер повышения стабильности работы компьютера. Впрочем, в большинстве случаев поднятия напряжения не требуется — рекомендуется оставить штатное значение 1.2В (вариант Default). LDT (Lightning Data Transport) — черновой (рабочий) вариант названия шины HyperTransport.
Краткое руководство по управлению питанием процессора
Как центральный процессор может сокращать собственное энергопотребление? Основы этого процесса — в статье.
Центральный процессор (CPU) спроектирован на бесконечно долгую работу при определенной нагрузке. Практически никто не проводит вычисления круглые сутки, поэтому большую часть времени он не работает на расчетном максимуме. Тогда какой смысл держать его включенным на полную мощность? Здесь стоит задуматься об управлении питанием процессора. Эта тема включает в себя оперативную память, графические ускорители и так далее, но я собираюсь рассказать только про CPU.
Если вы знаете про C-состояния (C-states), P-состояния (P-states) и то, как процессор переходит между ними, то, возможно, в этой статье вы не увидите ничего нового. Если это не так, продолжайте читать.
Я планировал добавить реальные примеры из ОС Linux, но статья становилась все больше, так что я решил приберечь это для следующей статьи.
Основные источники информации, использованные в этом тексте:
Особенности CPU
Согласно официальной странице продукта, мой процессор поддерживает следующие технологии:
Теперь выясним, что значит каждое из этих определений.
Как снизить энергопотребление процессора во время его работы?
На процессорах для массового использования (мы не берем в расчет вещи, которые возможны при их проектировании) для снижения потребляемой энергии можно реализовать один из сценариев:
Второй вариант требует чуть больше объяснений. Энергопотребление интегральной схемы, которой является процессор, линейно пропорционально тактовой частоте и квадратично напряжению.
Примечание для тех, кто разбирается в цифровой электронике: Pcpu = Pdynamic + Pshort circuit + Pleak. При работающем процессоре Pdynamic является наиболее важной составляющей, именно эта часть зависит линейно от частоты и квадратично от напряжения. Pshort circuit пропорционально частоте, а Pleak — напряжению.
Более того, напряжение и тактовая частота связаны линейной зависимостью.
Высокая производительность требует повышенной тактовой частоты и увеличения напряжения, что еще больше влияет на энергопотребление.
Каков предел энергопотребления процессора?
Это во многом зависит от процессора, но для процессора E3-1245 v5 @ 3.50 ГГц расчетная тепловая мощность (Thermal Design Power, TDP) составляет 80 ватт. Это среднее значение, которое процессор может выдерживать бесконечно долго (Power Limit, PL1 на изображении ниже). Системы охлаждения должны быть рассчитаны на это значение, чтобы быть надежными. Фактическое энергопотребление процессора может быть выше в течение короткого промежутка времени (состояния PL2, PL3, PL4 на изображении ниже). TDP измеряется при нагрузке высокой вычислительной сложности (худший случай), когда все ядра работают на базовой частоте (3.5 ГГц).
Как видно на изображении выше, процессор в состоянии PL2 потребляет больше энергии, чем заявлено в TDP. Процессор может находиться в этом состоянии до 100 секунд, а это достаточно долго.
Состояния питания (C-states) vs состояния производительности (P-states)
Состояния питания (C-states) vs состояния производительности (P-states)
Вот два способа снизить энергопотребление процессора:
P-состояния описывают второй случай. Подсистемы процессора работают, но не требуют максимальной производительности, поэтому напряжение и/или тактовая частота для этой подсистемы может быть снижена. Таким образом, P-состояния, P[X], обозначают, что некоторая подсистема (например, ядро), работает на заданной паре (частота, напряжение).
Так как большинство современных процессоров состоит из нескольких ядер, то С-состояния разделены на С-состояния ядра (Core C-states, CC-states) и на С-состояния процессора (Package C-states, PC-states). Причина появления PC-состояний очень проста. Существуют компоненты с общим доступом (например, общий кэш), которые могут быть отключены только после отключения всех ядер, имеющих доступ к этому компоненту. Однако мы в роли пользователя или программиста не можем взаимодействовать с состояниями пакета напрямую, но можем управлять состояниями отдельных ядер. Таким образом, управляя CC-состояниями, мы косвенно управляем и PC-состояниями.
Состояния нумеруются от нуля по возрастанию, то есть C0, C1… и P0, P1… Большее число обозначает большее энергосбережение. C0 означает, что все компоненты включены. P0 означает максимальную производительность, то есть максимальные тактовую частоту, напряжение и энергопотребление.
С-состояния
Вот базовые С-состояния (определенные в стандарте ACPI).
Примечание: Из-за технологии Intel® Hyper-Threading существуют также С-состояния потоков. Хотя отдельный поток может работать с С-состояниями, изменения в энергопотреблении происходят, только когда ядро входит в нужное состояние. В данной статье тема C-состояний на потоках рассматриваться не будет.
Вот описание состояний из даташита:
Примечание: LLC обозначает Last Level Cache, кэш последнего уровня и обозначает общий L3 кэш процессора.
Визуальное представление состояний:
Источник: Software Impact to Platform Energy-Efficiency White Paper
Последовательность C-состояний простыми словами:
Однако если ядро работает (C0), то единственное состояние, в котором может находиться процессор, — C0. С другой стороны, если ядро полностью выключено (C8), процессор может находиться в C0, если другое ядро работает.
Примечание: Intel Software Developer’s Manual упоминает про суб-C-состояния (sub C-state). Каждое С-состояние состоит из нескольких суб-С-состояний. После изучения исходного кода модуля ядра intel_idle я понял, что состояния C1 и C1E являются состоянием С1 с подтипом 0 и 1 соответственно.
Число подтипов для каждого из восьми С-состояний (0..7) определяется с помощью инструкции CPUID. Для моего процессора утилита cpuid выводит следующую информацию:
Замечание из инструкции Intel: «Состояния C0..C7 для расширения MWAIT — это специфичные для процессора C-состояния, а не ACPI C-состояния». Поэтому не путайте эти состояния с ACPI C-состояниями, они явно связаны и между ними есть соответствие, но это не одно и то же.
Я создал гистограмму, представленную ниже, из исходного кода драйвера intel_idle для моего процессора (модель 0x5e). Подписи горизонтальной оси:
Имя C-состояния: специфичное для процессора состояние: специфичное суб-состояние.
Вертикальная ось обозначает задержку выхода и целевые резидентные значения из исходного кода. Задержка выхода используется для оценки влияния данного состояния в реальном времени (то есть сколько времени потребуется для возвращения в С0 из этого состояния). Целевое резидентное значение обозначает минимальное время, которое ядро должно находиться в данном состоянии, чтобы оправдать энергетические затраты на переход в это состояние и обратно. Обратите внимание на логарифмический масштаб вертикальной оси. Задержки и минимальное время нахождения в состоянии увеличивается экспоненциально с увеличением номера состояния.
Константы задержок выхода и целевых резидентных значении C-состояний в исходном коде intel_idle
Примечание: Хотя состояния С9 и С10 включены в таблицу, они имеют 0 суб-состояний и поэтому не используются в моем процессоре. Остальные процессоры из семейства могут поддерживать эти состояния.
Состояния питания ACPI
Прежде чем говорить про P-состояния, стоит упомянуть про состояния питания ACPI. Это то, что мы, пользователи, знаем, когда используем компьютер. Так называемые глобальные системные состояния (G[Х]) перечислены в таблице ниже.
Источник: ACPI Specification v6.2
Также существует специальное глобальное состояние G1/S4, Non-Volatile Sleep, когда состояние системы сохраняется на энергонезависимое хранилище (например, диск) и затем производится выключение. Это позволяет достичь минимального энергопотребления, как в состоянии Soft Off, но возвращение в состояние G0 возможно без перезагрузки. Оно более известно как гибернация.
Существует несколько состояний сна (Sx). Всего таких состояний шесть, включая S0 — отсутствие сна. Состояния S1-S4 используются в G1, а S5, Soft Off, используется в G2. Краткий обзор:
Вот поддерживаемые состояния ACPI.
Комбинации состояний ACPI G/S и С-состояний процессора
Приятно видеть все комбинации в таблице:
В состоянии G0/S0/C8 системы процессора запущены, но все ядра отключены.
В G1 (S3 или S4) некорректно говорить про С-состояния (это касается как CC-состояний, так и PC-состояний), так как процессор полностью обесточен.
Для G3 не существует S-состояний. Система не спит, она физически отключена и не может проснуться. Ей необходимо сначала получить питание.
Как программно запросить переход в энергосберегающее С-состояние?
Современный (но не единственный) способ запросить переход в энергосберегающее состояние — это использовать инструкцию MWAIT или инструкцию HLT. Это инструкции привилегированного уровня, и они не могут быть выполнены пользовательскими программами.
Инструкция MWAIT (Monitor Wait) заставляет процессор перейти в оптимизированное состояние (C-состояние) до тех пор, пока по указанному (с помощью другой инструкции, MONITOR) адресу не будет произведена запись. Для управления питанием MWAIT работает с регистром EAX. Биты 4-7 используются для указания целевого С-состояния, а биты 0-3 указывают суб-состояние.
Примечание: Я думаю, что на данный момент только AMD обладает инструкциями MONITORX/MWAITX, которые, помимо мониторинга записи по адресу, работают с таймером. Это еще называется Timed MWAIT.
Инструкция HLT (halt) останавливает выполнение, и ядро переходит в состояние HALT до тех пор, пока не произойдет прерывание. Это означает, что ядро переходит в состояние C1 или C1E.
Что вынуждает ядро входить в определенное С-состояние?
Как отмечалось ранее, переходы между глубокими С-состояниями имеют высокие задержки и высокие энергетические затраты. Таким образом, такие переходы должны выполняться с осторожностью, особенно на устройствах, работающих от аккумуляторов.
Возможно ли отключить С-состояния (всегда использовать С0)?
Это возможно, но не рекомендуется. В даташите (секция 4.2.2, страница 64) есть примечание: «Долгосрочная надежность не гарантируется, если все энергосберегающие состояния простоя не включены». Поэтому вам не стоит отключать С-состояния.
Как прерывания влияют на процессор\ядро в состоянии сна?
Когда происходит прерывание, соответствующее ядро пробуждается и переходит в состояние С0. Однако, например Intel® Xeon® E3-1200 v5, поддерживает технологию Power Aware Interrupt Routing (PAIR), у которой есть два достоинства:
P-состояния
P-состояния подразумевают, что ядро в состоянии С0, потому что ему требуется питание, чтобы выполнять инструкции. P-состояния позволяют изменять напряжение и частоту ядра (другими словами рабочий режим), чтобы снизить энергопотребление. Существует набор P-состояний, каждое из которых соответствует разных рабочим режимам (пары напряжение-частота). Наиболее высокий рабочий режим (P0) предоставляет максимальную производительность.
Процессор Intel® Xeon® E3–1200 v5 позволяет контролировать P-состояния из операционной системы (Intel® SpeedStep Technology) или оставить это оборудованию (Intel® Speed Shift Technology). Вся информация ниже специфична для семейства Intel® Xeon® E3-1200 v5, но я полагаю, это в той или иной степени актуально и для других современных процессоров.
P-состояния, управляемые операционной системой
В этом случае операционная система знает о P-состояниях и конкретном состоянии, запрошенным ОС. Проще говоря, операционная система выбирает рабочую частоту, а напряжение подбирается процессором в зависимости от частоты и других факторов. После того, как P-состояние запрошено записью в моделезависимый регистр (подразумевается запись 16 бит в регистр IA32_PERF_CTL), напряжение изменяется до автоматически вычисленного значения и тактовый генератор переключается на заданную частоту. Все ядра имеют одно общее P-состояние, поэтому невозможно установить P-состояние эксклюзивно для одного ядра. Текущее P-состояние (рабочий режим) можно узнать, прочитав информацию из другого моделезависимого регистра — IA32_PERF_STATUS.
Смена P-состояния мгновенна, поэтому в секунду можно выполнять множество переходов. Это отличает от переходов C, которые выполняются дольше и требуют энергетических затрат.
P-состояния, управляемые оборудованием
В этом случае ОС знает об аппаратной поддержке P-состояний и отправляет запросы с указанием нагрузки. В запросах не указывается конкретное P-состояние или частота. На основе информации от ОС, а также других факторов и ограничений оборудование выбирает подходящее P-состояние.
Я хочу рассказать об этом подробнее в следующей статье, но сейчас я поделюсь с вами своими мыслями. Мой домашний компьютер работает в этом режиме, я узнал это, проверив IA32_PM_ENABLE. Максимальный (но не гарантированный) уровень производительности — 39, минимальный — 1. Можно предположить, что существует 39 P-состояний. На данный момент уровень 39 установлен ОС как минимальный и как максимальный, потому что я отключил динамическое изменение частоты процессора в ядре.
Заметки про Intel® Turbo Boost
Поскольку TDP (расчетная тепловая мощность) — это максимальная мощность, которую процессор может выдержать, то процессор может повышать свою частоту выше базовой, при условии что энергопотребление не превысит TDP. Технология Turbo Boost может временно повышать энергопотребление до границы PL2 (Power Limit 2) на короткий промежуток времени. Поведение Turbo Boost может быть изменено через подсказки оборудованию.
Применима ли эта информация о C-состояниях и P-состояниях к мобильным и встраиваемым процессорам?
Для примера, недавний MacBook Air с процессором i5-5350U в основном поддерживает возможности, описанные выше (но я не уверен про P-состояния, контролируемые оборудованием). Я также смотрел документацию ARM Cortex-A, и, хотя там применяются другие термины, механизмы управления питанием выглядят похоже.
Как это все работает, например, на Linux?
На этот вопрос я отвечу в другой статье.
Как я могу узнать состояние процессора?
Существует не так много приложений, которые могут выводить эту информацию. Но вы можете использовать, например, CoreFreq.
Вот какую информацию можно получить (это не весь вывод).
Вот информация о ядре, включая информацию о драйвере idle.
Мониторинг счетчиков С-состояний (для ядра):