ما هو الفرق بين حالات C وحالات P لوحدة المعالجة المركزية؟

في المعالجات الحديثة، لا تعد إدارة الطاقة مفتاحًا واحدًا، بل مجموعة من الآليات المنسقة (حالات C وحالات P لوحدة المعالجة المركزية، من بين أمور أخرى) يستخدم نظام التشغيل والبرامج الثابتة ووحدة المعالجة المركزية نفسها لضبط استهلاك الطاقة ودرجة الحرارة والأداء آنيًا. تُلخص هذه المقالة هذه الاختصارات المعقدة وتُنظمها لتتمكن من فهم ما يحدث تحت الغطاء عند توفير الطاقة أو زيادة سرعة جهاز الكمبيوتر.

على الرغم من أن كل مصنع وعائلة وحدة معالجة مركزية تضيف لمستها الخاصة، إلا أن الأساس مشترك: ACPI يحدد "الحالات" القياسية للنظام والأجهزة والمعالج. ستتعرف هنا على الفروق بين حالات C وP، وكيفية ارتباطها بحالات G/S/D، وتأثيرها الفعلي على زمن الوصول، ولماذا يُعطّل اللاعبون وهواة الموسيقى المحترفين وضع النوم العميق غالبًا، والأدوات العملية المتاحة للاستخدام على أنظمة Windows وLinux وبيئات مثل ESXi.

ACPI باختصار

ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) هو المعيار الذي ينظم الطاقة في أجهزة الكمبيوتر والخوادم، والذي تم استبدال APM بمزيد من التحكم والتفاصيل. لقد نشأت على يد Intel وMicrosoft وToshiba في التسعينيات وتطورت لتشمل 64 بت ومتعددة المعالجة والحافلات الحديثة (PCIe وSATA وUSB 3.x) واكتشاف الأحداث (على سبيل المثال، زر الطاقة).

على الرغم من أن ACPI يُستخدم بشكل أساسي في عائلة x86، إلا أنه يُستخدم أيضًا في هياكل معمارية أخرى. أما على أجهزة ARM المحمولة، يتم استخدام استراتيجيات الملكية (مثل big.LITTLE والمجموعات غير المتجانسة) لتحقيق التوازن بين الكفاءة والاستجابة اعتمادًا على الحمل.

الدول العالمية والحالات المعلقة (الدول G والدول S)

تصف الحالات العالمية الحالة الكاملة للنظام. والأهم هو G0/S0 (عامل)حيث يكون الكمبيوتر نشطًا. في الأجهزة الحديثة، يوجد S0ix (الحالات الفرعية لـ S0) التي تسمح بأوضاع نوم دقيقة للغاية مع وجود جزء من نظام SoC في وضع السكون، وخاصة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة.

• G0/S0: النظام قيد التشغيل.
• G1 (النوم): يغطي S1 وS2 وS3 (التعليق في ذاكرة الوصول العشوائي) وS4 (السبات في القرص). S3 يحافظ على تشغيل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لاستئناف سريع؛ يقوم S4 بتفريغ الذاكرة إلى وحدة تخزين غير متطايرة.
• G2/S5 (إيقاف التشغيل الناعم):إيقاف التشغيل المنطقي بأقل قدر من الطاقة للسماح بالاستيقاظ عن طريق الأحداث (لوحة المفاتيح، الشبكة، وما إلى ذلك).
• G3 (إيقاف التشغيل الميكانيكي):إيقاف التشغيل الفعلي؛ فقط RTC يبقى على قيد الحياة لكل بطارية.

ضع في اعتبارك أن توجد حالات C للمعالج ضمن G0/S0:عندما يدخل النظام إلى G1، يتم إيقاف تشغيل حزمة وحدة المعالجة المركزية وتتوقف حالات C عن التشغيل.

حالات الجهاز (حالات D)

يقوم ACPI أيضًا بتحديد كيفية نوم الأجهزة الطرفية أو استيقاظها. D0 يعادل "التشغيل الكامل"، D1/D2 هما متوسطان (يعتمد على الجهاز) ويتفرع D3 إلى وضع التشغيل (مع طاقة إضافية، ويستجيب للناقل) أو وضع التشغيل البارد (متوقف تمامًا، لا يستجيب). يسمح هذا، على سبيل المثال، لبطاقة الشبكة بتنشيط الكمبيوتر بينما تبقى الأجهزة الأخرى في وضع السكون.

حالات T: تعديل الساعة، الملاذ الأخير

بالإضافة إلى P و C، هناك تعديل الساعة (حالات T): نوع من تعديل عرض النبضة (PWM) يُثبِّط نبضات الساعة الداخلية بنمط مُحدَّد (مثلاً، نبضة واحدة من كل 8)، مما يُقلِّل النشاط دون تغيير تردد القاعدة المُعلَن عنه. صُمِّمَ كإجراء مُضادٍّ حراري أو طارئ (PROCHOT)، ويُتحكَّم فيه عبر IA32_CLOCK_MODULATION، مع وجود أسباب/سجلات في MSR_*_PERF_LIMIT_REASONS.

على الرغم من أن بعض الوثائق تعتبرها "غير ذات صلة"، إلا أنها في الممارسة العملية يستمر ظهوره على أجهزة الكمبيوتر المحمولة ذات التصميم الحراري العادل وتحت أحمال ثابتة. إذا لاحظت أن Windows يُبلغ عن "سرعة" أقل من الحد الأدنى لـ EIST، فمن المرجح أن تكون حالة T نشطة (بوابة الساعة).

حالات M: توفير الذاكرة

يوفر ACPI أيضًا حالات ذاكرة لتقليل استهلاك الطاقة في نظام DRAM الفرعي عندما يكون النظام خاملاً. M0 هو التشغيل العاديتُجبر أوضاع M1/M2 وغيرها الذاكرة على التحديث الذاتي وإبطاء توقيتها، مما يُقلل الطاقة مع فترات استيقاظ أطول. هذه التأثيرات أقل وضوحًا للمستخدم، لكنها تُسهم في التوفير الإجمالي.

حالات المعالج C: النوم مع الرأس

لنتناول الآن موضوع المقال: حالات C وحالات P. حالات C هي حالات خاملة للنواة أو الحزمة. كلما زاد الرقم، كان النوم أعمق وتوفير أكبر، ولكن أيضًا زمن وصول أعلى. يتم طلبها بتعليمات مميزة مثل HLT أو MWAIT (يمكن للأخير طلب Cx وحالة فرعية صراحةً)، ويصل تعيين الإمكانيات إلى نظام التشغيل عبر ACPI (_CST).

• C0: تنفيذ عادي. هنا يأتي دور حالات P.
• C1/C1E (توقف): يتوقف القلب، عودة فورية تقريبًا إلى C0؛ C1E يقلل الاستهلاك بشكل أكبر.
• C2 (إيقاف الساعة):تم إيقاف إشارات الساعة، وتستغرق العودة وقتًا أطول قليلاً.
• C3 (النوم/النوم العميق):يتم مسح L1/L2 إلى ذاكرة التخزين المؤقت الأخيرة (LLC) ويتم إيقاف تشغيل الساعات الأساسية؛ يتم الحفاظ فقط على الحالة الأساسية للنواة.
• C6 وما فوقيمكن إيقاف تشغيل النواة وحفظ سياقها في ذاكرة SRAM مخصصة، مما يُخفض جهد النواة إلى حوالي 0 فولت؛ وعند الخروج، تعود النواة إلى حالتها الأصلية. تصل قيمة جهد النواة إلى C10 على المنصات الحديثة.

بالإضافة إلى حالات C لكل نواة (حالات CC)، هناك مستوى حزمة حالات C (حالات الكمبيوتر الشخصي) تُعطّل الكتل المشتركة (مثل LLC) عندما تسمح جميع النوى بذلك. توجد تركيبات غير صالحة (إذا كانت النواة في C0، فلا يمكن أن تكون الحزمة في PC6)، ويمكن لوحدة المعالجة المركزية "ترقية" أو "خفض" الطبقة تلقائيًا بناءً على زمن الوصول والإقامات المستهدفة.

أهمية زمن الوصول: يتم التخلي عن C1 في بضع عشرات من الدورات فقطبينما قد تستغرق معالجات C6/C7 مئات الميكروثانية. وبالتالي، تتأثر الأحمال الحساسة للتأخير (مثل الألعاب، والصوت المباشر، والشبكات المتطلبة) بشكل كبير إذا دخل المعالج في وضع السكون العميق بشكل متكرر.

حالات الأداء P: التردد والجهد

في حين أن حالات C هي "النوم عندما لا يكون هناك عمل"، فإن حالات P هي "تعديل الوتيرة عندما نعم يوجد عمل، لكنه لا يتطلب أقصى جهد.P0 هي أعلى حالة أداء (أعلى تردد/جهد)، ثم تأتي P1 وP2... كلٌّ منهما بأزواج تردد/جهد متناقصة. تُعلن هذه الجداول لنظام التشغيل عبر واجهة ACPI (_PSS) ويتم التحكم فيها بواسطة وحدات تحكم MSR مثل IA32_PERF_CTL/IA32_PERF_STATUS.

تاريخيًا، كان نظام التشغيل يطلب حالات P (EIST/SpeedStep على Intel، وPowerNow! على AMD)، ولكن اليوم أصبح من الشائع حالات الأداء التي يتم التحكم فيها بواسطة الأجهزة (HWP/Speed ​​Shift):يشير نظام التشغيل إلى التفضيل (الأداء/التوفير) وتقرر وحدة المعالجة المركزية في مللي ثانية النقطة الدقيقة، مع حبيبات دقيقة للغاية لكل نواة.

تفاصيل رئيسية: حالات P وحالات C متعامدةيمكنك أن تكون عند P0 (تردد عالي)، وعند خمولك، تدخل في حالة C6. على العكس، عند استمرار الحمل عند P2، لا توجد حالات C لأن النواة تعمل (C0). لذلك، يُنصح بفصل "التردد/الجهد" (P) عن "الخمول" (C) ذهنيًا.

من APM إلى ACPI: تحول نموذجي

كانت APM هي واجهة برمجة التطبيقات السابقة التي تتم إدارتها بشكل أساسي من خلال BIOS وبرامج التشغيل. وقد سمحت قم بإيقاف تشغيل الأجهزة الطرفية غير النشطة وتحديد الحالات العالمية البسيطةولكن وحدة المعالجة المركزية كانت خارج نطاق التحكم المباشر لنظام التشغيل لأسباب أمنية. تطورت واجهة ACPI إلى نموذج أكثر ثراءً وتوحيدًا، مع أوصاف جداول، وتحكم دقيق، وتعاون وثيق بين البرامج الثابتة ونظام التشغيل والأجهزة.

كيفية الدخول والخروج من الولايات المتحدة

عندما لا يكون لدى المجدول أي مؤشرات ترابط جاهزة، فإنه ينفذ HLT أو MWAIT مع تلميح لحالة C المستهدفة؛ الانقطاعات "تقطع" النوم وأعد النواة إلى C0. تُفرَغ ذاكرة التخزين المؤقت الخاصة عند C3؛ ويُحفَظ السياق في ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة (SRAM) عند C6، ويُخفَّض الجهد إلى الصفر. تُطبِّق بعض وحدات المعالجة المركزية (CPU) توجيه المقاطعات المُدرِك للطاقة (PAIR) لتوجيه المقاطعات إلى النوى النشطة بالفعل (للحفظ) أو النوى الخاملة (للأداء)، حسب الاقتضاء.

توربو، TDP وحدود الطاقة

يقوم المعالجون بتعريف TDP الذي يجب أن يكون نظام التبريد قادرًا على تبديده على أساس مستدام (PL1: متوسط ​​القدرة الآمنة). أعلاه، يمكن لنوافذ الطاقة الأعلى الدخول (PL2، ومستويات إضافية مثل PL3/PL4 (حسب المنصة) لفترات محدودة. في حال وجود مساحة حرارية وكهربائية، يمكن للنواة تجاوز التردد الأساسي عبر Turbo، حتى شكل غير متماثل (مزيد من التوربو مع عدد أقل من النوى النشطة).

عندما تتجاوز درجات الحرارة الحد الأقصى أو عندما يتطلبها منظم الجهد/الطاقة، يمكن تفعيل PROCHOT وأدخل حالة T أو قص التردد لحماية الشريحة. هذا السلوك شائع في أجهزة الكمبيوتر المحمولة الرقيقة.

Windows: خطط الطاقة والقراءات والعدادات

عروض ويندوز خطط مثل "توفير الطاقة""متوازن" و"عالي الأداء". الأول يميل إلى خفض حالات P بشكل عدواني والنوم بعمقيحافظ الخيار الثالث على الترددات العالية ويتجنب انخفاض زمن الوصول على حساب الكفاءة. أما الخيار "المتوازن" فيحاول إيجاد حل وسط.

في "إدارة المهام"، "السرعة" هي مقياس اصطناعي المتوسطات لكل نواة وتأخذ في الاعتبار واجب التعديل إذا كانت هناك حالات T، فقد تتجاوز القيمة الأساسية (Turbo) أو تنخفض عن الحد الأدنى لـ EIST (البوابة). للقياس عن بُعد المتقدم، يعكس عداد "معلومات المعالج (الإجمالي) % لأداء المعالج" النسبة المئوية للأداء الفعال لوحدة المعالجة المركزية.

هناك أدوات مساعدة للتشخيص أو التعديل: CPU-Z (البيانات الأساسية)، HWiNFO (أجهزة الاستشعار)، وقف الخانق (الساعات، حالات C لكل نواة والتحكم في PROCHOT/التعديل)، أو ParkControl (ضبط وقوف السيارات الأساسية/حالات C) التي تلمس معلمات خطة الطاقة المخفية (يسمح powercfg بتحرير "IDLE_PROMOTE/DEMOTE"، وما إلى ذلك).

Linux: cpupower وturbostat وCoreFreq

في لينكس، أدوات مثل com.cpupower إظهار المحافظين ونطاقات التردد وأوقات انتقالية؛ توربوستات يعرض MSRs وأسباب حد الأداء الأساسي (MSR_CORE_PERF_LIMIT_REASONS) والإقامات حسب ولاية C؛ و كورفريك يوفر عرضًا تفصيليًا للترددات المطلقة وحالات C وTurbo لكل نواة/حزمة.

فارق بسيط عملي: في بعض أجهزة الكمبيوتر، يكون برنامج التشغيل يمكن لـ intel_idle تجاهل قيود BIOS في حالات أخرى، يُقفل البرنامج الثابت أعمق حالة C مسموح بها لنظام التشغيل عبر MSR.

BIOS/UEFI والملفات التعريفية: من هو المسؤول حقًا؟

في إعدادات BIOS/UEFI، تظهر عادةً مفاتيح التشغيل: EIST/SpeedStep وTurboBoost وCPU C-Statesبالإضافة إلى ذلك، تتيح لك العديد من الخوادم اختيار ملفات تعريف الطاقة: "أقصى أداء" (كل شيء بأفضل أداء، مع أقل زمن وصول) أو "مُتحكم به/مُخصص بواسطة نظام التشغيل"، حيث يتحكم المشرف الافتراضي أو نظام التشغيل في حالات الطاقة/الطاقة. يؤدي اختيار "وضع التحكم في نظام التشغيل" إلى تفويض الذكاء لنظام التشغيل.

إذا كنت تستخدم مشرفين افتراضيين مثل ESXi، فمن الجيد الجمع بين وضع التحكم في نظام التشغيل في BIOS مع خطة "الأداء العالي" من مُشرف الجهاز الافتراضي عندما يكون الهدف هو تقليل الأداء (على سبيل المثال مع NSX-T، أو عُقد الحافة، أو الوظائف الحساسة للزمن). في هذه الحالة، ستلاحظ أن حالة P-0 أكثر تكرارًا، وحالات C-محصورة بين C0/C1؛ أما مع خطة "متوازنة"، فسيعتمد المُضيف بشكل أكبر على حالات P-أقل وحالات C-أعمق.

لتلخيص هذه الفوضى بأكملها حول حالات C وحالات P: تحدد ACPI الإطار، وتوفر حالات C الطاقة عندما لا يكون هناك عمل، وتضبط حالات P السرعة العالية/المنخفضة تحت الحمل، وتنقذ حالات T اليوم في درجات الحرارة الشديدة، وتوفر حالات M الطاقة من الذاكرة. المفتاح هو اختيار الملف الشخصي المناسب لاستخدامك.، قم بالقياس باستخدام الأدوات الصحيحة، وإذا لزم الأمر، ضع حدودًا معقولة لعمق الراحة.

مقال ذو صلة:

يؤدي وضع الاستعداد الحديث إلى استنزاف البطارية أثناء السكون: كيفية تعطيله

دانيال تيراسا

محرر متخصص في قضايا التكنولوجيا والإنترنت بخبرة تزيد عن عشر سنوات في الوسائط الرقمية المختلفة. لقد عملت كمحرر ومنشئ محتوى لشركات التجارة الإلكترونية والاتصالات والتسويق عبر الإنترنت وشركات الإعلان. لقد كتبت أيضًا في مواقع الاقتصاد والمالية والقطاعات الأخرى. عملي هو أيضا شغفي. الآن من خلال مقالاتي في Tecnobits، أحاول استكشاف كل الأخبار والفرص الجديدة التي يقدمها لنا عالم التكنولوجيا كل يوم لتحسين حياتنا.