power policy mode что это
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):
О том, как я заставлял Ubuntu работать 10 часов от батареи
Я являюсь рядовым линукс-пользователем и поэтому не стоит от этой статьи ожидать очень умных ходов или нестандартных программистских решений. Все по мануалам. Но раз результат достигнут, значит кому-то кроме меня это может оказаться полезным.
О том, как заставит ноутбук работать под линуксами как можно дольше, написано немало, в том числе и на хабре. В какой-то степени я еще раз соберу все советы воедино, от очевидных до обскурных, заодно опишу несколько проблем и решений, которые у меня оказались достаточно «индивидуальными».
Устанавливал я Ubuntu 10.10 на ноутбук Acer Aspire Timeline 5810TG. Эта машина обладает экраном в почти 16 дюймов и относительно производительным железом, зато батарея достаточно емкая, чтобы ставить с ней личные рекорды.
Содержание поста.
1. Отключаем дискретную видеокарту.
2. Полезные команды для энергосбережения.
3. Проблемы ноутбука (связанные с энергосбережением) и их решения.
4. Автоматизация.
5. Дополнительные советы.
1. Отключаем дискретную видеокарту.
В моем ноутбуке имеется возможность переключаться между встроенным графическим чипом от Intel, маломощным и малотребовательным к электроэнергии, и сравнительно сильной и энергоемкой карте ATI Radeon HD4330. Многие обладатели ноутбуков с переключаемой графикой испытывают проблемы в работе с Linux-системами. Поиск по «ubuntu switchable graphics» на убунтуформус выдает больше 50 страниц тем.
Мне производительная графическая карта нужна редко, поэтому я задался целью отключить ее по умолчанию с возможностью быстрого и безболезненного включения.
Очень много читал те самые 50 страниц форумных тем. А надо было всего лишь заглянуть в убунту-вики или даже попробовать воспользоваться хабрапоиском.
В версиях ядра, начиная с 2.6.34, присутствует механизм vga_switcheroo, позволяющий переключаться между видеокартами. То есть в Ubuntu 10.10 он есть по умолчанию. О том, как им пользоваться, хорошо было написано здесь (см. второй способ) почти год назад, я по-быстрому напомню, что к чему.
Вначале выполним
Зная, какой GPU как обозначается, посмотрим, какой из них в каком состоянии.
Плюсик стоит на против видеочипа, который используется в данный момент, Pwr означает, что видеокарта включена и потребляет энергию.
Важно: у всех моих немногих знакомых, обладающих ноутбуками с двумя видеокартами, картина одинаковая: что бы вы не делали, при загрузке системы обе карты работают, при этом для вывода используется встроенная «слабая» графика. Это нам на руку, ибо обесточивание неактивной видеокарт происходит бескровно.
Команда отключает неиспользуемую GPU сразу же. Поэтому мы обратимся к файлу /etc/rc.local, добавив в него вышеуказанную команду (перед строчкой exit 0). Так, при загрузке систему дискретная видеокарта уже будет отключена и мне не нужно будет беспокоиться ни о чем.
Важно: насколько я могу судить, vga_switcheroo не работает, если установлены проприетарные драйверы на дискретную видеокарту.
Кстати, если вы хотите переключаться между видеокартами через графический интерфейс, установите Ubuntu Control Center. Программа представляет собой панель управления параметрами Ubuntu, но нас она интересует исключительно из-за опции переключения между GPU (естественно, здесь это тоже происходит средствами vga_switcheroo).
Будьте аккуратны с UCC: во-первых, работает кривовато, например, мне необходимо было вначале переключиться на дискретную видеокарту, а лишь затем на встроенную, чтобы обесточить дискретную (либо вначале выполнить echo OFF > /sys/kernel/debug/vgaswitcheroo/switch, а затем переключаться на встроенную GPU). Но работает. Во-вторых, переключение происходит сразу, то есть без спросу выполняется завершение сеанса и приходится вновь залогиниваться.
Больше о переключаемой графике можно почитать в хабрапосте, на который я дал ссылку выше, а также в Убунту-вики и в этом блоге. Я к этому вопросу возвращаться не буду.
2. Полезные советы по энергосбережению.
Собирались эти советы с lesswatts, ubuntuforums, учитывались хинты от powertop, кое-что было найдено случайно.
1) Если у вас стоит убунту на ноутбуке, стопроцентно у вас установлен пакет laptop_mode, оптимизирующий работу компьютера в зависимости от источника питания. Значение 0, посылаемое в /proc/sys/vm/laptop_mode, отключает режим энергосбережения, 5 устанавливает самый агрессивный. Подробнее о том, как именно laptop_mode сберегает энергию, можно прочесть где угодно.
2) Режим энергосбережение для SATA-устройств.
Не знаю, почему у меня в /sys/class/scsi_host/ целых шесть устройств 🙂 Для включения максимального быстродействия выполнить команды с max_performance вместо min_power.
3) По умолчанию в Ubuntu есть четыре профиля работы процессора:
conservative: медленно повышает частоту процессора в зависимости от нагрузки на систему и резко сбрасывает частоту к минимальной при простое.
ondemand: быстро повышает частоту процессора при возрастании нагрузки и медленно сбрасывает частоту к минимуму при простое.
powersave и performance, очевидно, соответствуют минимальной и максимальной частотам CPU. Многие независимые пользователи крайне не советуют использовать режим performance, поэтому даже для работы от сети, когда экономить на ваттах нет смысла, я использую режим ondemand.
4) Параметр ‘sched_mc_power_savings’ из /sys/devices/system/cpu/ позволяет использовать энергосберегающий режим работы процессора в случае, если у того более одного ядра, благодаря особому распределению нагрузки между ядрами.
5) Встроенные аудио-чипы от Intel (которые принадлежат к т. н. High Definition Audio — HDA) также имеют возможность экономии ватт, если звуковой чип не используется
6) Для того, что выиграть еще чуть-чуть времени работы батареи, можно запретить системе время от времени «опрашивать» cd/dvd-привод на предмет наличия там диска.
7) Можно выключить к черту веб-камеру вместе с драйвером. Не проверял отдельно, но сообщают, что дело очень хорошее при работе от батареи. Естественно, пропустите этот шаг, если вам придется использовать скайп или еще для чего-то понадобится камера.
8) Dirty ratio — максимальный размер памяти (в процентах), для хранения грязных данных прежде чем процесс, их сгенерировавший, будет принужден записать их. Чем выше значение, очевидно, тем реже производится запись и тем меньше активность жесткого диска и системы.
9) Dirty background ratio — минимальное число памяти (в процентах), где позволено хранить гразные данные вместо записи на диск. Этот параметр должен быть намного меньше чем dirty_ratio что бы позволить записывать куски грязных данных за один проход.
10) Dirty Writeback sentisecs — как часто ядро должно проверять есть ли «грязные» (измененные) данные для записи на диск (в сантисекундах). Чем выше значение, очевидно, тем реже используется диск для записи грязных данных.
11) Включение режима энергосбережения PCI Express, как говорят люди, позволяет экономить достаточно много энергии батареи.
3. Некоторые проблемы ноутбука (связанные с энергосбережением) и их решения.
Проблема 1. Не работает изменение яркости экрана. Яркость всегда стоит на максимуме. Это критичный момент для энергосбережения, так как яркая подсветка дисплея съедает уйму электроэнергии. Эта проблема наблюдается на многих ноутбуках, на Acer’ах особенно часто. Симптом: изменение яркости с помощью gnome-апплета не дает эффекта, сколько ползунок не таскай, переключение клавишами FN+Right, FN+Left, или аналогичными Fn-комбинациями вешает систему, помогает лишь хард-ресет.
Решение оказалось не самым практичным, но достаточно простым:
Здесь ХХ принимает значения от 00 до FF в шестнадцатеричной системе. Для работы от батареи я выбрал значение 40, для работы от сети — FF.
Как настроить сетевой адаптер на Windows 7: самое важное
Иногда при подключении интернета или использовании ресурсов локальной сети возникают проблемы. Могут вылезать ошибки подключения, получения IP адресов или конфигурации сетевого оборудования. Внутри компьютера или ноутбука, функцией подключения к локальной или глобальной сети, занимается сетевой адаптер. В статье мы как раз и поговорим про настройку сетевого адаптера для улучшения связи в интернете. Инструкция будет ходовая для всех версий Windows 7, 8 и 10.
Более подробная настройка
Мне постоянно приходят письма с вопросами – как более детально настроить сетевой адаптер для меньшего пинга в играх, для лучшего просмотра кино и большей скорости скачивания. Поэтому я решил написать более детальную статью. Ну, поехали! По идее она настраивается автоматически под рациональное использование ресурсов системы и самого устройства. Но конфигурацию можно корректировать под свои нужды.
Переходим во вкладку «Дополнительно». И так смотрите, у нас есть определённые свойства, которые мы можем включать (Enebled) или выключать (Disable). На новых версиях «Виндовс» может быть написано «Вкл» или «Выкл». А теперь разбёрем каждое свойство:
ВНИМАНИЕ! Параметры адаптера могут в какой-то степени улучшить показатели, в каком-то моменте ухудшить. Изменяя установки сетевого адаптера, лучше возьмите листочек и выпишите – что именно вы изменили, чтобы в случаи чего вернуть параметры обратно. Также я рекомендую скачать последнюю версию драйвера для вашей сетевой карты или Wi-Fi модуля и установить его. Только после этого заходим в характеристики
После изменения, следует перезагрузить компьютер или ноутбук, чтобы некоторые изменения вступили в силу. Установки сетевого адаптера всегда можно откатить обратно, самое главное не потеряйте тот листок с настройками.
ПРОСЬБА! Если я что-то не указал, или написал что-то не так – пишите смело в комментариях свои исправления или замечания, буду рад поучиться чему-то у своих читателей.