Chì ghjè a differenza trà i stati C è i stati P di a CPU?

In i processori muderni, a gestione di l'alimentazione ùn hè micca un solu interruttore, ma un inseme di meccanismi cuurdinati (stati C è stati P di a CPU, frà altri) chì u sistema operativu, u firmware è a CPU stessa utilizanu per aghjustà u cunsumu energeticu, a temperatura è e prestazioni in tempu reale. Questu articulu distilla è urganizeghja quellu intricatu di acronimi per pudè capisce ciò chì succede sottu à u cappucciu quandu u vostru urdinatore risparmia energia o accelera.

Ancu s'è ogni fabricatore è famiglia di CPU aghjusta u so toccu, a basa hè cumuna: L'ACPI definisce i "stati" standard per u sistema, i dispusitivi è u processore. Quì viderete e differenze trà i stati C è i stati P, cumu si riferiscenu à i stati G/S/D, quale impattu in u mondu reale anu nantu à a latenza, perchè i ghjucatori è l'audiofili prufessiunali spessu disattivanu u sonnu prufondu, è quali strumenti pratichi sò dispunibili per l'usu in Windows, Linux è ambienti cum'è ESXi.

ACPI in poche parole

ACPI (Configurazione Avanzata è Interfaccia Power) hè u standard chì orchestra a putenza in i PC è i servitori, è chì rimpiazzatu APM cù più cuntrollu è granularitàHè natu da a manu d'Intel, Microsoft è Toshiba in l'anni 90 è hà evolutu per include 64-bit, multiprocessamentu, bus muderni (PCIe, SATA, USB 3.x) è rilevazione d'eventi (per esempiu, u buttone d'accensione).

Ancu s'è ACPI hè principalmente utilizatu in a famiglia x86, hè statu ancu implementatu in altre architetture. Tuttavia, nantu à i dispositivi mobili ARM, strategie pruprietarie sò aduprate (cum'è big.LITTLE è cluster eterogenei) per equilibrà l'efficienza è a risposta secondu u caricu.

Stati Globali è Suspensi (Stati-G è Stati-S)

I stati mundiali descrivenu u statu cumpletu di u sistema. U più impurtante hè G0/S0 (In funzione), induve l'urdinatore hè attivu. Nant'à l'hardware recente ci hè S0ix (sottostati di S0) chì permettenu modi di sonnu assai fini cù una parte di u SoC chì dorme, in particulare in i laptop.

• G0/S0: sistema in funzione.
• G1 (Dormendu): copre S1, S2, S3 (suspensione à a RAM) è S4 (ibernazione à u discu). S3 mantene a RAM alimentata per ripiglià rapidamente; S4 svuota a memoria in un almacenamentu non volatile.
• G2/S5 (Spegnimentu dolce)Spegnimentu logicu cù una putenza minima per permette u svegliu per via di eventi (tastiera, rete, ecc.).
• G3 (Spegnimentu meccanicu)Spegnimentu fisicu; solu l'RTC sopravvive per batteria.

Tenite in mente chì I stati C di u processore si trovanu in G0/S0Quandu u sistema entra in G1, u pacchettu di a CPU hè spento è i C-States smettenu di ghjucà.

Stati di u dispusitivu (Stati D)

L'ACPI definisce ancu cumu i periferichi dormenu o si sveglianu. D0 hè equivalente à "funzionamentu cumpletu", D1/D2 sò intermedi (dipendente da u dispusitivu) è D3 si ramifica in Caldu (cù alimentazione ausiliaria, chì risponde à u bus) o Freddu (cumpletamente spentu, chì ùn risponde micca). Questu permette, per esempiu, à una carta di rete di sveglià l'urdinatore mentre chì altri dispusitivi restanu addurmintati.

Stati T: Modulazione di l'orologio, l'ultima risorsa

In più di P è C, ci hè u modulazione di l'orologio (T-States)Un tipu di PWM chì sopprime l'impulsi di clock interni in un mudellu (per esempiu, 1 ogni 8), riducendu l'attività senza cambià a frequenza di basa publicitata. Hè destinatu cum'è una contramisura termica o d'emergenza (PROCHOT) è hè cuntrullatu via IA32_CLOCK_MODULATION, cù cause/log in MSR_*_PERF_LIMIT_REASONS.

Ancu s'è certi ducumenti a cunsideranu "irrilevante", in pratica Continua à cumparisce nantu à i laptop cù un cuncepimentu termicu ghjustu. è sottu à carichi sustinuti. Sè vo vede Windows chì segnala una "velocità" sottu à l'EIST minimu, ci hè prubabilmente un T-State attivu (clock gating).

Stati M: Risparmiu di memoria

ACPI furnisce ancu stati di memoria per riduce u cunsumu energeticu di u sottosistema DRAM quandu u sistema hè inattivu. M0 hè un funziunamentu nurmaleM1/M2 è altri modi forzanu a memoria à rinfrescà si da per sè è rallentanu u timing, riducendu a putenza cù latenze di sveglia più lunghe. Quessi sò menu visibili per l'utente, ma cuntribuiscenu à u risparmiu generale.

Stati C di u processore: Dorme cù a testa

Avà, parlemu di u tema di l'articulu: i stati C è i stati P. I stati C sò i stati inattivi di u kernel o di u pacchettu. Più altu hè u numeru, più prufondu hè u sonnu è risparmi più grandi, ma ancu una latenza di sveglia più alta. Sò dumandati cù istruzioni privilegiate cum'è HLT o MWAIT (quest'ultima pò dumandà esplicitamente un Cx è un sottustatu), è a mappa di capacità ghjunghje à u sistema operativu via ACPI (_CST).

• C0: esecuzione nurmale. Eccu induve i Stati P entranu in ghjocu.
• C1/C1E (Ferma): u core si ferma, ritornu guasi istantaneu à C0; C1E riduce ulteriormente u cunsumu.
• C2 (Frottu di l'orologio)I signali di l'orologio sò fermati, u ritornu ci vole un pocu di più.
• C3 (Sonnu/Sonnu prufondu)L1/L2 hè svuotatu in l'ultima cache (LLC) è l'orologi di u core sò spenti; solu u statu essenziale di u nucleu hè cunservatu.
• C6 è superioreU core pò esse spento è u so cuntestu salvatu in SRAM dedicata, purtendu a tensione di u core à ~0 V; à a uscita, u statu di u core hè restauratu. Certi mudelli esponenu finu à C10 nantu à e piattaforme recenti.

In più di i stati C per nucleu (stati CC), ci hè u pianu di Stati C di u pacchettu (stati PC) chì disattivanu i blocchi spartuti (cum'è l'LLC) quandu tutti i core u permettenu. Ci sò cumminazzioni invalide (sè un core hè in C0, u pacchettu ùn pò esse in PC6), è a CPU pò automaticamente "prumove" o "declassà" u livellu basatu annantu à e latenze è e residenze di destinazione.

A latenza hè impurtante: C1 hè abbandunatu in solu una decina di cicli, mentre chì C6/C7 pò custà centinaie di microsecondi. Dunque, i carichi sensibili à i ritardi (ghjochi, audio in tempu reale, rete esigente) soffrenu se u processore cade spessu in sonnu prufondu.

Stati P di prestazione: Frequenza è tensione

Mentre i Stati C "dormenu quandu ùn ci hè micca travagliu", i Stati P "aghjustanu u ritmu quandu" Iè, ci hè travagliu, ma ùn ci vole micca u massimu". P0 hè u statu di prestazione più altu (frequenza/tensione più alta), dopu venenu P1, P2… ognunu cù coppie frequenza-tensione decrescenti. Queste tabelle sò dichjarate à l'OS via ACPI (_PSS) è cuntrullate da MSR cum'è IA32_PERF_CTL/IA32_PERF_STATUS.

Storicamente u sistema operativu dumandava P-States (EIST/SpeedStep nant'à Intel, PowerNow! nant'à AMD), ma oghje hè cumunu di Stati di Prestazione Cuntrullati da Hardware (HWP/Speed ​​​​Shift)U sistema operativu indica una preferenza (prestazioni/risparmii) è a CPU decide in millisecondi u puntu esattu, cù una granularità per core assai fina.

Un dettagliu chjave: I Stati P è i Stati C sò "ortogonali"Pudete esse à P0 (alta frequenza) è, quandu diventate inattivu, entre in C6. À u cuntrariu, sottu carica sustenuta à P2, ùn ci sò micca stati C perchè u core hè in esecuzione (C0). Hè per quessa chì hè una bona idea di separà mentalmente "frequenza/tensione" (P) da "inattività" (C).

Da APM à ACPI: un cambiamentu di paradigma

APM era l'API precedente gestita principalmente da u BIOS è i driver. Permetteva Disattivate e periferiche inattive è definite stati globali simplici, ma a CPU era fora di u cuntrollu direttu di u sistema operativu per ragioni di sicurezza. L'ACPI hà evolutu versu un mudellu più riccu è standardizatu, cù descrizzioni di tabelle, cuntrollu granulare è stretta cullaburazione trà u firmware, u sistema operativu è l'hardware.

Cumu entre è sorte da i Stati C

Quandu u scheduler ùn hà micca fili pronti, esegue HLT o MWAIT cù un suggerimentu di u statu C di destinazione; L'interruzioni "rompenu" u sonnu è rinvià u core à C0. E cache private sò svuotate in C3; u cuntestu hè salvatu in SRAM in C6 è a tensione hè abbassata à zeru. Certi CPU implementanu u Power Aware Interrupt Routing (PAIR) per indirizzà l'interruzioni à core digià attivi (per salvà) o per core inattivi (per a prestazione), cum'è apprupriatu.

Turbo, TDP è limiti di putenza

I processori definiscenu un TDP chì u sistema di raffreddamentu deve esse capace di dissipà in modu sustenibile (PL1: putenza media sicura). Sopra, i finestrini di putenza più alta ponu entre (PL2, è livelli supplementari cum'è PL3/PL4 secondu a piattaforma) per periodi limitati. S'ellu ci hè un margine termicu è elettricu, u core pò superà a frequenza di basa via Turbo, ancu forma asimmetrica (più turbo cù menu core attivi).

Quandu e temperature superanu a soglia o u VRM/putenza l'esige, PROCHOT pò esse attivatu è inserite u T-State o u clipping di frequenza per prutege u chip. Stu cumpurtamentu hè cumunu in i laptop magri.

Windows: Piani di putenza, letture è contatori

Offerte di Windows piani cum'è "Risparmiu Energeticu", "Equilibratu" è "Alta Prestazione". U primu tende à abbassate i Stati P aggressivamente è dorme prufundamenteU terzu mantene e frequenze alte è evita e calate di latenza à spese di l'efficienza. "Equilibratu" prova una via di mezu.

In Task Manager, a "velocità" hè una metrica sintetica chì medie per core è cunsidereghja u duvere di modulazione s'ellu ci sò stati T. Pò superà a basa (Turbo) o cascà sottu à l'EIST minimu (gating). Per a telemetria avanzata, u contatore "\Processor Information(_Total)\% Processor Performance" riflette a percentuale di prestazioni effettive da CPU.

Ci sò utilità per diagnosticà o aghjustà: CPU-Z (dati di basa), HWiNFO (sensori), A ThrottleStop (orologi, stati C per core è cuntrollu PROCHOT/modulazione), o ParkControl (core parking tuning/C-States) chì toccanu i parametri di u pianu di putenza nascosti (powercfg permette di mudificà "IDLE_PROMOTE/DEMOTE", ecc.).

Linux: cpupower, turbostat è CoreFreq

In Linux, strumenti cum'è Putenza di a CPU mostra i guvernatori, e gamme di frequenza è e latenze di transizione; turbostat visualizza i MSR, i motivi di u limite di prestazione principale (MSR_CORE_PERF_LIMIT_REASONS), è e residenze per C-State; è CoreFreq furnisce una vista dettagliata di e frequenze assolute, di i stati C è di u Turbo per core/pacchettu.

Una sfumatura pratica: nantu à certi urdinatori, u driver intel_idle pò ignurà e restrizioni di u BIOS sopra i C-States è utilizanu a so propria tavula. In altri, u firmware "blocca" u C-State più prufondu permessu per u sistema operativu via MSR.

BIOS/UEFI è Profili: Quale hè veramente incaricatu?

In i paràmetri BIOS/UEFI cumpariscenu di solitu interruttori à chjave: EIST/SpeedStep, TurboBoost è CPU C-StatesInoltre, parechji servitori vi permettenu di sceglie profili di putenza: "Prestazioni massime" (tuttu à u so megliu, cù latenze minime) o "OS Controlled/Custom", induve l'ipervisore o l'OS guverna i P/C-States. Selezziunà "OS Control Mode" delega l'intelligenza à u sistema operativu.

Sè vo aduprate ipervisori cum'è ESXi, hè una bona idea di cumbinà Modu di cuntrollu di u sistema operativu in BIOS cù u pianu "Alte prestazioni" di l'ipervisore quandu l'obiettivu hè di riduce e prestazioni (per esempiu cù NSX-T, Edge Nodes, o funzioni sensibili à a latenza). In questu scenariu, viderete P-State 0 più spessu è C-State limitati à C0/C1; cù un pianu "Equilibratu", l'ospite si baserà di più nantu à P-State più bassi è C-State più profondi.

Per riassume tuttu stu pasticciu di C-States è P-States: ACPI definisce u quadru, i C-States risparmianu energia quandu ùn ci hè micca travagliu, i P-States aghjustanu a marcia alta / bassa sottu carica, i T-States salvanu a ghjurnata in casu di calore estremu, è i M-States rassodanu i watt da a memoria. A chjave hè di sceglie u prufilu ghjustu per u vostru usu., misurate cù l'arnesi adatti è, se necessariu, stabilite limiti sensati à a prufundità di riposu.

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Terrazza Daniele

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