processor power management что это в биос
Power Management
Другие идентичные по назначению опции: Power Management Option.
Среди опций BIOS, относящихся к категории функций управления энергосберегающими возможностями компьютера, иногда можно встретить опцию Power Management (Управление питанием компьютера). Обычно в этой опции можно использовать значения Max Saving (Максимальная экономия), Min Saving (Минимальная экономия), User Define (Определяемый пользователем режим), а также Enabled (Включено) и Disabled (Выключено).
Принцип работы
Хорошо известно, что персональный компьютер – это сложное устройство, потребляющее много электроэнергии. Однако далеко не всегда от компьютера требуется работа на полную мощность, и поэтому очень часто энергия, потребляемая компонентами компьютера, может расходоваться впустую. Разумеется, этот фактор имеет большое значение для пользователя, особенно если он владеет мобильным компьютером.
Эта проблема давно беспокоила разработчиков чипсетов и процессоров, и они приложили немало усилий для того, чтобы ее решить и оптимизировать потребление энергии различными компонентами ПК. Одной из технологий, созданных для этой цели, является технология APM (Advanced Power Management, Расширенное управление электропитанием), разработанная еще в начале 1990-х гг компаниями Intel и Microsoft. Стандарт APM подразумевал возможность работы компьютера в нескольких режимах сохранения энергии, и стал настолько удачным, что просуществовал до середины 2000-х гг, когда на смену ему пришел более совершенный стандарт ACPI. Однако до сих пор существует множество компьютеров, поддерживающих стандарт APM.
Стандарт APM поддерживает 4 основных энергетических состояния персонального компьютера. Первое состояние – режим нормальной работы, когда компьютер полностью включен и все его компоненты работают на полную мощность. Такой режим устанавливается, когда компьютер активно используется человеком или фоновыми программами.
Второй режим также применяется во время активного функционирования задач операционной системы, однако при этом часть компонентов работает на пониженных частотах или в энергосберегающем режиме.
Третье состояние носит название Standby. При его выборе большинство устройств переводится в энергосберегающий режим, а процессор может быть даже выключен. Этот режим используется в том случае, если пользователь не производит активных действий с компьютером. Пользователь может легко вывести компьютер из состояния Standby – ему достаточно осуществить движение мышью или нажать клавишу на клавиатуре.
Режим Suspend подразумевает более глубокое погружение компьютера в сон – в этом случае большинство компонентов ПК выключено. Состояние операционной системы сохраняется в памяти, как и в режиме Standby, однако для вывода системы из режима Suspend требуется большее время, чем для вывода из Standby.
И наконец, существует состояние, когда весь компьютер со всеми своими компонентами выключен, и привести его в рабочее состояние можно только нажатием кнопки питания на системном блоке.
Для управления энергосберегающими состояниями APM при помощи средств BIOS и предназначена опция Power Management. Разберем подробнее доступные пользователю варианты значений опции.
Вариант Max Saving включает режим сохранения энергии, который подразумевает переход компьютера в энергосберегающий режим уже через минуту отсутствия пользовательской активности. Само собой разумеется, что в данном случае экономия электроэнергии является максимальной, однако такой быстрый переход в режим энергосбережения не всегда бывает удобным.
Min Saving подразумевает переход в энергосберегающее состояние спустя гораздо больший промежуток времени, обычно через 10 минут. Этот вариант более удобен для пользователя, хотя при нем расходуется большее количество энергии.
Существует также опция User Defined, предлагающая пользователю больше возможностей для настройки энергосберегающих режимов и, в частности, ручную установку временных интервалов.
Вариант опции Disabled выключает управление состояниями APM со стороны BIOS. Однако это не означает, что пользователь в этом случае лишится возможности управлять энергосберегающими режимами компьютера. Если на компьютере установлена операционная система, поддерживающая технологию ACPI (для линейки Windows это все ОС, начиная с Windows 2000), то в этом случае пользователь может регулировать режимы энергосбережения при помощи богатых возможностей интерфейса ACPI.
В опции Power Management может встретиться также вариант Enabled. Этот вариант включает общую поддержку технологии APM через BIOS. Однако детальную настройку режимов в этом случае можно производить только средствами ОС (в том числе и ОС, не поддерживающих ACPI, таких, как Windows 98 и более ранние).
Какое значение выбрать?
Поскольку поддержка технологии APM актуальна лишь для старых операционных систем, не поддерживающих технологию ACPI, то в большинстве случаев опцию Power Management можно выключить, установив значение Disabled.
Однако если вы используете старые операционные системы, такие, как MS-DOS или ранние версии Windows, то управление энергосберегающими состояниями средствами BIOS во многих случаях будет очень полезным. Конкретный энергосберегающий режим при этом можно выбрать, исходя ваших потребностей и приоритетов – либо максимальная работоспособность компьютера при минимуме энергосберегающих функций, либо максимальное сохранение электроэнергии и умеренная производительность компьютера.
Power Management
Название опции:
Power Management
Возможные значения:
Max Saving, Min Saving, User Define и, возможно, Disabled
или
Enabled, Disabled
Описание:
Эту опцию можно встретить в двух вариантах. В большинстве версий BIOS при использовании APM она дает возможность указать время до перехода в энергосберегающий режим средствами BIOS в случае простоя компьютера. При выборе Max Saving система будет настроена на максимальное сохранение энергии — компьютер будет переводиться в энергосберегающий режим менее чем через минуту простоя. Вариант Min Saving выглядит более сбалансированным, предлагая переход в энергосберегающий режим после нескольких десятков минут бездействия. Значение User Define позволяет с помощью опций, расположенных следом, вручную задать все временные отрезки. А Disabled, если этот вариант доступен, запрещает переход в энергосберегающий режим средствами BIOS. Лучше всего установить последнее значение, а управление осуществлять средствами операционной системы.
Если значение Disabled отсутствует, выберите вариант User Define, отключив при этом с помощью опций, следующих за этой, переход в тот или иной режим энергосбережения.
Второй вариант, встречающийся намного реже, идентичен опции PM Control By APM и ей подобным. В этом случае рассматриваемая опция отвечает за поддержку расширенного управления питанием (APM — Advanced Power Management) в целом. Напомним, что данная технология позволяет при простое компьютера переводить его в один из режимов с пониженным энергопотреблением.
Использование APM актуально сейчас только для устаревших компьютеров, не поддерживающих более совершенный интерфейс расширенного конфигурирования и управления питанием (ACPI — Advanced Configuration and Power Interface), либо для старых версий операционных систем (Windows 98 и более ранних), ничего не «знающих» об ACPI. Если это ваш случай, установите для опции значение Enabled, во всех остальных случаях APM можно отключить, выбрав вариант Disabled.
Расширенное управление питанием предусматривает, что компьютер может находиться в одном из четырех состояний. Первое — это обычная работа (Normal). Второе состояние (Doze) предусматривает работу компонентов на пониженных частотах с уменьшенным потреблением мощности. Третье (Standby) — спящий режим. При этом отключены некоторые компоненты компьютера, но обеспечивается достаточно быстрый возврат в рабочий режим. Четвертое состояние (Suspend) предусматривает более «масштабное» отключение питания от компонентов. Стоит упомянуть и физическое отключение питания — при этом компьютер полностью обесточен.
Описание настроек Setup BIOS. Раздел Power Management Setup
Video Off Method
(способы выключения монитора)- устанавливается способ перехода монитора в режим пониженного энергопотребления. Может принимать значения:
IRQ 4 (Wake-up)
разрешение этого параметра приведет к «пробуждению» компьютера от модема или мыши, подключенных к COM1. Может принимать значения:
IRQ 8 (Wake-up)
разрешение этого параметра приведет к «пробуждению» компьютера от часов реального времени. Рекомендуется оставить его запрещенным, так как некоторые программы могут использовать функцию «будильника» часов компьютера для своих целей. Может принимать значения:
IRQ 12 (Wake-up)
разрешение этого параметра приведет к «пробуждению» компьютера от мыши, подключенной к порту PS/2. Может принимать значения:
В следующей секции указываются те устройства, при активности которых компьютер «засыпать» не должен.
IRQ 3 (COM2)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если подключенное к порту COM2 устройство используется. Может принимать значения:
IRQ 4 (COM1)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если подключенное к порту COM1 устройство используется. Может принимать значения:
IRQ 5 (LPT2)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если подключенное к порту LPT2 устройство (как правило, принтер) используется. Может принимать значения:
IRQ 6 (Floppy Disk)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если к накопителю на гибких дисках происходит обращение. Может принимать значения:
IRQ 7 (LPT1)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если подключенное к порту LPT2 устройство (как правило, принтер) используется. Может принимать значения:
IRQ 8 (RTC Alarm)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если RTC (часы реального времени) используются как таймер. Рекомендуется оставить его запрещенным, так как некоторые программы могут использовать функцию «будильника» часов компьютера для своих целей. Может принимать значения:
IRQ 9 (IRQ2 Redir)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если подключенное к порту COM2 устройство используется. Может принимать значения:
IRQ 10 (Reserved)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если устройство, занимающее 10 прерывание, используется. Может принимать значения:
IRQ 11 (Reserved)при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если устройство, занимающее 11 прерывание, используется. Может принимать значения:
IRQ 12 (PS/2 Mouse)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если подключенное к порту COM2 устройство используется. Может принимать значения:
IRQ 13 (Coprocessor)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если сопроцессор используется. Может принимать значения:
IRQ 14 (Hard Disk)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если к жесткому диску на первом канале IDE есть обращения. Может принимать значения:
IRQ 15 (Reserved)
при разрешении этого параметра компьютер не «засыпает», если к жесткому диску или CD-ROM на втором канале IDE есть обращения. Может принимать значения:
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):