Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των καταστάσεων C και των καταστάσεων P της CPU;

Στους σύγχρονους επεξεργαστές, η διαχείριση ενέργειας δεν είναι ένας μόνο διακόπτης, αλλά ένα σύνολο συντονισμένοι μηχανισμοί (καταστάσεις C και καταστάσεις P της CPU, μεταξύ άλλων) που χρησιμοποιούν το λειτουργικό σύστημα, το υλικολογισμικό και η ίδια η CPU για να ρυθμίζουν την κατανάλωση ενέργειας, τη θερμοκρασία και την απόδοση σε πραγματικό χρόνο. Αυτό το άρθρο αναλύει και οργανώνει αυτό το συνονθύλευμα ακρωνυμίων, ώστε να μπορείτε να κατανοήσετε τι συμβαίνει στο παρασκήνιο όταν ο υπολογιστής σας εξοικονομεί ενέργεια ή επιταχύνεται.

Αν και κάθε κατασκευαστής και οικογένεια CPU προσθέτει τη δική του πινελιά, η βάση είναι κοινή: Το ACPI ορίζει τις τυπικές «καταστάσεις» για το σύστημα, τις συσκευές και τον επεξεργαστή. Εδώ θα δείτε τις διαφορές μεταξύ των καταστάσεων C και των καταστάσεων P, πώς σχετίζονται με τις καταστάσεις G/S/D, ποια είναι η πραγματική τους επίδραση στην καθυστέρηση, γιατί οι gamers και οι επαγγελματίες audiophiles συχνά απενεργοποιούν τη λειτουργία deep sleep και ποια πρακτικά εργαλεία είναι διαθέσιμα για χρήση σε Windows, Linux και περιβάλλοντα όπως το ESXi.

ACPI με λίγα λόγια

ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) είναι το πρότυπο που ενορχηστρώνει την ισχύ σε υπολογιστές και διακομιστές, και αυτό αντικατέστησε το APM με μεγαλύτερο έλεγχο και λεπτομέρειαΓεννήθηκε από την Intel, τη Microsoft και την Toshiba τη δεκαετία του '90 και εξελίχθηκε ώστε να περιλαμβάνει 64-bit, πολυεπεξεργαστική τεχνολογία, σύγχρονους διαύλους (PCIe, SATA, USB 3.x) και ανίχνευση συμβάντων (π.χ., το κουμπί λειτουργίας).

Παρόλο που το ACPI χρησιμοποιείται κυρίως στην οικογένεια x86, έχει επίσης αναπτυχθεί σε άλλες αρχιτεκτονικές. Ωστόσο, σε κινητές συσκευές ARM, Χρησιμοποιούνται ιδιόκτητες στρατηγικές (όπως big.LITTLE και ετερογενείς συστάδες) για την εξισορρόπηση της απόδοσης και της απόκρισης ανάλογα με το φορτίο.

Παγκόσμια και ανασταλτικά κράτη (κράτη G και κράτη S)

Οι παγκόσμιες καταστάσεις περιγράφουν την πλήρη κατάσταση του συστήματος. Η πιο σημαντική είναι G0/S0 (Λειτουργεί), όπου ο υπολογιστής είναι ενεργός. Σε πρόσφατο υλικό υπάρχει S0ix (υποκαταστάσεις του S0) τα οποία επιτρέπουν πολύ καλές λειτουργίες ύπνου με μέρος του SoC σε κατάσταση ύπνου, ειδικά σε φορητούς υπολογιστές.

• G0/S0: σύστημα σε λειτουργία.
• G1 (Ύπνος): καλύπτει τα S1, S2, S3 (αναστολή σε RAM) και S4 (αδρανοποίηση σε δίσκο). Το S3 διατηρεί την RAM ενεργοποιημένη για γρήγορη συνέχιση· το S4 εκκαθαρίζει τη μνήμη σε μη πτητική αποθήκευση.
• G2/S5 (Απαλή απενεργοποίηση)Λογική απενεργοποίηση με ελάχιστη ισχύ για να επιτρέπεται η αφύπνιση λόγω συμβάντων (πληκτρολόγιο, δίκτυο κ.λπ.).
• G3 (Μηχανική απενεργοποίηση): Φυσική απενεργοποίηση. Μόνο το RTC επιβιώνει ανά μπαταρία.

Λάβετε υπόψη ότι Οι καταστάσεις C του επεξεργαστή βρίσκονται εντός G0/S0Όταν το σύστημα εισέλθει σε κατάσταση G1, το πακέτο CPU τερματίζεται και οι καταστάσεις C σταματούν να αναπαράγονται.

Καταστάσεις συσκευής (Καταστάσεις D)

Το ACPI ορίζει επίσης τον τρόπο με τον οποίο τα περιφερειακά κοιμούνται ή ξυπνούν. Το D0 ισοδυναμεί με «πλήρη λειτουργία», τα D1/D2 είναι ενδιάμεσα (εξαρτάται από τη συσκευή) και το D3 διακλαδώνεται σε Hot (με βοηθητική τροφοδοσία, ανταποκρίνεται στο δίαυλο) ή Cold (εντελώς απενεργοποιημένο, δεν ανταποκρίνεται). Αυτό επιτρέπει, για παράδειγμα, σε μια κάρτα δικτύου να αφυπνίσει τον υπολογιστή ενώ άλλες συσκευές παραμένουν σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας.

T-States: Διαμόρφωση ρολογιού, η έσχατη λύση

Εκτός από τα P και C, υπάρχει και το διαμόρφωση ρολογιού (Κατάσταση T): ένα είδος PWM που καταστέλλει τους εσωτερικούς παλμούς ρολογιού σε ένα μοτίβο (π.χ., 1 στους 8), μειώνοντας τη δραστηριότητα χωρίς να αλλάζει τη διαφημιζόμενη βασική συχνότητα. Προορίζεται ως θερμικό ή αντισταθμιστικό μέτρο έκτακτης ανάγκης (PROCHOT) και ελέγχεται μέσω IA32_CLOCK_MODULATION, με αιτίες/αρχεία καταγραφής στο MSR_*_PERF_LIMIT_REASONS.

Αν και ορισμένα έγγραφα το θεωρούν «άσχετο», στην πράξη Εμφανίζεται συνεχώς σε φορητούς υπολογιστές με καλό θερμικό σχεδιασμό και υπό συνεχή φόρτο. Εάν τα Windows αναφέρουν «ταχύτητα» κάτω από την ελάχιστη τιμή EIST, πιθανότατα υπάρχει ενεργή κατάσταση T (πύλη ρολογιού).

M-States: Εξοικονόμηση μνήμης

Το ACPI παρέχει επίσης καταστάσεις μνήμης για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του υποσυστήματος DRAM όταν το σύστημα είναι αδρανές. Το M0 είναι κανονική λειτουργίαΟι λειτουργίες M1/M2 και άλλες αναγκάζουν τη μνήμη να αυτοανανεώνεται και να επιβραδύνει τον χρονισμό, μειώνοντας την ισχύ με μεγαλύτερες καθυστερήσεις αφύπνισης. Αυτές είναι λιγότερο ορατές στον χρήστη, αλλά συμβάλλουν στη συνολική εξοικονόμηση.

Καταστάσεις C του επεξεργαστή: Ύπνος με το κεφάλι

Ας εξετάσουμε τώρα το θέμα του άρθρου: Καταστάσεις C και Καταστάσεις P. Οι καταστάσεις C είναι οι καταστάσεις αδράνειας του πυρήνα ή του πακέτου. Όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός, τόσο βαθύτερος είναι ο ύπνος και μεγαλύτερη εξοικονόμηση, αλλά και υψηλότερη καθυστέρηση αφύπνισης. Ζητούνται με προνομιακές οδηγίες όπως HLT ή MWAIT (η τελευταία μπορεί να ζητήσει ρητά ένα Cx και μια υποκατάσταση) και η αντιστοίχιση δυνατοτήτων φτάνει στο λειτουργικό σύστημα μέσω ACPI (_CST).

• C0: κανονική εκτέλεση. Εδώ είναι που λαμβάνονται υπόψη οι καταστάσεις P.
• C1/C1E (Διακοπή): ο πυρήνας σταματά, σχεδόν άμεση επιστροφή σε C0. Το C1E μειώνει περαιτέρω την κατανάλωση.
• C2 (Χρονόμετρο): Τα σήματα του ρολογιού σταματούν, η επιστροφή διαρκεί λίγο περισσότερο.
• C3 (Ύπνος/Βαθύς Ύπνος)Τα L1/L2 εκκαθαρίζονται στην τελευταία cache (LLC) και τα ρολόγια πυρήνα απενεργοποιούνται. μόνο η ουσιώδης κατάσταση του πυρήνα διατηρείται.
• C6 και άνωΟ πυρήνας μπορεί να απενεργοποιηθεί και το περιεχόμενό του να αποθηκευτεί σε ειδική SRAM, μειώνοντας την τάση του πυρήνα στα ~0 V. Κατά την έξοδο, η κατάσταση του πυρήνα αποκαθίσταται. Ορισμένα μοντέλα εκθέτουν έως και C10 σε πρόσφατες πλατφόρμες.

Εκτός από τις καταστάσεις C ανά πυρήνα (καταστάσεις CC), υπάρχει το επίπεδο του Πακέτο C-States (PC-states) που απενεργοποιούν τα κοινόχρηστα μπλοκ (όπως το LLC) όταν το επιτρέπουν όλοι οι πυρήνες. Υπάρχουν μη έγκυροι συνδυασμοί (αν ένας πυρήνας βρίσκεται στο C0, το πακέτο δεν μπορεί να βρίσκεται στο PC6) και η CPU μπορεί να "προωθήσει" ή να "υποβιβάσει" αυτόματα το επίπεδο με βάση τις καθυστερήσεις και τις κατοικίες-στόχους.

Η καθυστέρηση έχει σημασία: Το C1 εγκαταλείπεται σε λίγες μόνο δεκάδες κύκλους, ενώ τα C6/C7 μπορούν να κοστίσουν εκατοντάδες μικροδευτερόλεπτα. Ως εκ τούτου, τα φορτία που είναι ευαίσθητα στην καθυστέρηση (παιχνίδια, ήχος σε πραγματικό χρόνο, απαιτητική δικτύωση) υποφέρουν εάν ο επεξεργαστής πέφτει συχνά σε βαθιά αναστολή λειτουργίας.

Καταστάσεις P απόδοσης: Συχνότητα και τάση

Ενώ οι καταστάσεις C είναι «ύπνος όταν δεν υπάρχει δουλειά», οι καταστάσεις P είναι «προσαρμογή του ρυθμού όταν Ναι, υπάρχει δουλειά, αλλά δεν χρειάζεται το μέγιστο.Το P0 είναι η κατάσταση με την υψηλότερη απόδοση (υψηλότερη συχνότητα/τάση), και στη συνέχεια ακολουθούν τα P1, P2… το καθένα με μειούμενα ζεύγη συχνότητας-τάσης. Αυτοί οι πίνακες δηλώνονται στο λειτουργικό σύστημα μέσω ACPI (_PSS) και ελέγχονται από MSR όπως το IA32_PERF_CTL/IA32_PERF_STATUS.

Ιστορικά, το λειτουργικό σύστημα ζητούσε καταστάσεις P (EIST/SpeedStep στην Intel, PowerNow! στην AMD), αλλά σήμερα είναι σύνηθες να Καταστάσεις απόδοσης ελεγχόμενες από υλικό (HWP/Speed ​​​​Shift)Το λειτουργικό σύστημα υποδεικνύει μια προτίμηση (απόδοση/εξοικονόμηση) και η CPU αποφασίζει σε χιλιοστά του δευτερολέπτου το ακριβές σημείο, με πολύ λεπτή λεπτομέρεια ανά πυρήνα.

Μια βασική λεπτομέρεια: Οι καταστάσεις P και οι καταστάσεις C είναι «ορθογώνιες»Μπορείτε να βρίσκεστε στο P0 (υψηλή συχνότητα) και, όταν γίνετε ανενεργοί, να εισέλθετε στο C6. Αντίθετα, υπό παρατεταμένο φορτίο στο P2, δεν υπάρχουν καταστάσεις C επειδή ο πυρήνας εκτελείται (C0). Γι' αυτό είναι καλή ιδέα να διαχωρίσετε νοερά τη «συχνότητα/τάση» (P) από την «αδράνεια» (C).

Από το APM στο ACPI: μια αλλαγή παραδείγματος

Το APM ήταν το προηγούμενο API που διαχειριζόταν κυρίως από το BIOS και τα προγράμματα οδήγησης. Επέτρεπε Απενεργοποίηση ανενεργών περιφερειακών συσκευών και ορισμός απλών καθολικών καταστάσεων, αλλά η CPU ήταν εκτός του άμεσου ελέγχου του λειτουργικού συστήματος για λόγους ασφαλείας. Το ACPI εξελίχθηκε σε ένα πλουσιότερο, πιο τυποποιημένο μοντέλο, με περιγραφές πινάκων, λεπτομερή έλεγχο και στενή συνεργασία μεταξύ υλικολογισμικού, λειτουργικού συστήματος και υλικού.

Πώς να εισέλθετε και να εξέλθετε από τις Πολιτείες C

Όταν ο χρονοπρογραμματιστής δεν έχει έτοιμα νήματα, εκτελεί HLT ή MWAIT με μια υπόδειξη της κατάστασης C-στόχου. Οι διακοπές «διακόπτουν» τον ύπνο και επιστρέφουν τον πυρήνα στο C0. Οι ιδιωτικές κρυφές μνήμες καθαρίζονται στο C3. Το περιεχόμενο αποθηκεύεται στην SRAM στο C6 και η τάση μειώνεται στο μηδέν. Ορισμένες CPU εφαρμόζουν τη δρομολόγηση διακοπών με επίγνωση ισχύος (PAIR) για να δρομολογούν τις διακοπές σε ήδη ενεργοί πυρήνες (για αποθήκευση) ή για αδράνεια πυρήνων (για την απόδοση), ανάλογα με την περίπτωση.

Turbo, TDP και όρια ισχύος

Οι επεξεργαστές ορίζουν ένα TDP το οποίο το σύστημα ψύξης πρέπει να είναι σε θέση να διαχέει σε συνεχή βάση (PL1: ασφαλής μέση ισχύς). Από πάνω, μπορούν να εισέλθουν ηλεκτρικά παράθυρα με μεγαλύτερο ύψος (PL2και πρόσθετα επίπεδα όπως PL3/PL4 ανάλογα με την πλατφόρμα) για περιορισμένες περιόδους. Εάν υπάρχει θερμικό και ηλεκτρικό περιθώριο, ο πυρήνας μπορεί να υπερβεί τη βασική συχνότητα μέσω Turbo, ακόμη και ασύμμετρο σχήμα (περισσότερο turbo με λιγότερους ενεργούς πυρήνες).

Όταν οι θερμοκρασίες υπερβαίνουν το όριο ή το απαιτεί το VRM/ισχύς, Το PROCHOT μπορεί να ενεργοποιηθεί και εισάγετε κατάσταση T ή αποκοπή συχνότητας για να προστατεύσετε το τσιπ. Αυτή η συμπεριφορά είναι συνηθισμένη σε λεπτά φορητούς υπολογιστές.

Windows: Σχέδια παροχής ενέργειας, μετρήσεις και μετρητές

Προσφορές των Windows σχέδια όπως «Εξοικονόμηση Ενέργειας», «Ισορροπημένη» και «Υψηλή Απόδοση». Η πρώτη τείνει να μειώνουν επιθετικά τις καταστάσεις P και κοιμούνται ήσυχαΤο τρίτο διατηρεί υψηλές συχνότητες και αποφεύγει τις μειώσεις στην καθυστέρηση εις βάρος της απόδοσης. Το "Balanced" επιχειρεί μια μέση λύση.

Στη Διαχείριση Εργασιών, η «ταχύτητα» είναι μια συνθετική μέτρηση που μέσους όρους ανά πυρήνα και λαμβάνει υπόψη την υποχρέωση διαμόρφωσης εάν υπάρχουν καταστάσεις T. Μπορεί να υπερβαίνει τη βάση (Turbo) ή να πέσει κάτω από την ελάχιστη τιμή EIST (gating). Για προηγμένη τηλεμετρία, ο μετρητής "\Processor Information(_Total)\% Processor Performance" αντικατοπτρίζει το ποσοστό της αποτελεσματικής απόδοσης ανά CPU.

Υπάρχουν βοηθητικά προγράμματα για τη διάγνωση ή την προσαρμογή: CPU‑Z (βασικά δεδομένα), HWiNFO (αισθητήρες), ThrottleStop (ρολόγια, καταστάσεις C ανά πυρήνα και έλεγχος PROCHOT/διαμόρφωσης), ή ParkControl (βασική ρύθμιση στάθμευσης/Καταστάσεις C) που αγγίζουν κρυφές παραμέτρους σχεδίου παροχής ενέργειας (το powercfg επιτρέπει την επεξεργασία του "IDLE_PROMOTE/DEMOTE", κ.λπ.).

Linux: cpupower, turbostat και CoreFreq

Στο Linux, εργαλεία όπως cppower εμφάνιση ρυθμιστών στροφών, περιοχών συχνοτήτων και καθυστερήσεων μετάβασης· στροβιλοστάτης εμφανίζει MSR, λόγους ορίου απόδοσης πυρήνα (MSR_CORE_PERF_LIMIT_REASONS) και κατοικίες ανά C-State και CoreFreq παρέχει μια λεπτομερή εικόνα των απόλυτων συχνοτήτων, των καταστάσεων C και του Turbo ανά πυρήνα/πακέτο.

Μια πρακτική λεπτομέρεια: σε ορισμένους υπολογιστές, ο οδηγός Το intel_idle μπορεί να αγνοήσει τους περιορισμούς του BIOS. μέσω καταστάσεων C και χρησιμοποιούν τον δικό τους πίνακα. Σε άλλες περιπτώσεις, το υλικολογισμικό «κλειδώνει» την βαθύτερη κατάσταση C που επιτρέπεται για το λειτουργικό σύστημα μέσω του MSR.

BIOS/UEFI και Προφίλ: Ποιος είναι πραγματικά υπεύθυνος;

Στις ρυθμίσεις BIOS/UEFI συνήθως εμφανίζονται διακόπτες πλήκτρων: EIST/SpeedStep, TurboBoost και καταστάσεις CPU CΕπιπλέον, πολλοί διακομιστές σάς επιτρέπουν να επιλέξετε προφίλ ισχύος: «Μέγιστη απόδοση» (όλα στην καλύτερη δυνατή κατάσταση, με ελάχιστες καθυστερήσεις) ή «Έλεγχος/Προσαρμογή από το λειτουργικό σύστημα», όπου ο υπερεπόπτης ή το λειτουργικό σύστημα διέπει τις καταστάσεις P/C. Επιλέγοντας «Λειτουργία ελέγχου λειτουργικού συστήματος», η πληροφορία ανατίθεται στο λειτουργικό σύστημα.

Εάν χρησιμοποιείτε υπερεπόπτες όπως το ESXi, είναι καλή ιδέα να συνδυάσετε Λειτουργία ελέγχου λειτουργικού συστήματος στο BIOS με το σχέδιο «Υψηλής απόδοσης» του hypervisor όταν ο στόχος είναι η συμπίεση της απόδοσης (για παράδειγμα με NSX-T, Edge Nodes ή συναρτήσεις ευαίσθητες στην καθυστέρηση). Σε αυτό το σενάριο, θα βλέπετε την κατάσταση P 0 πιο συχνά και τις καταστάσεις C περιορισμένες σε C0/C1. Με ένα "Balanced" σχέδιο, ο κεντρικός υπολογιστής θα βασίζεται περισσότερο σε χαμηλότερες καταστάσεις P και βαθύτερες καταστάσεις C.

Για να συνοψίσουμε όλο αυτό το χάος μεταξύ των C-States και P-States: το ACPI ορίζει το πλαίσιο, τα C-States εξοικονομούν ενέργεια όταν δεν υπάρχει εργασία, τα P-States ρυθμίζουν την υψηλή/χαμηλή ταχύτητα υπό φορτίο, τα T-States σώζουν την κατάσταση σε ακραίες θερμοκρασίες και τα M-States εξοικονομούν watt από τη μνήμη. Το κλειδί είναι να επιλέξετε το σωστό προφίλ για τη χρήση σας., μετρήστε με τα σωστά εργαλεία και, εάν είναι απαραίτητο, ορίστε λογικά όρια στο βάθος ανάπαυσης.

Σχετικό άρθρο:

Το Modern Standby εξαντλεί την μπαταρία κατά τη διάρκεια του ύπνου: πώς να το απενεργοποιήσετε

Ντάνιελ Τεράσα

Συντάκτης εξειδικευμένος σε θέματα τεχνολογίας και διαδικτύου με περισσότερα από δέκα χρόνια εμπειρίας σε διαφορετικά ψηφιακά μέσα. Έχω εργαστεί ως συντάκτης και δημιουργός περιεχομένου για εταιρείες ηλεκτρονικού εμπορίου, επικοινωνίας, διαδικτυακού μάρκετινγκ και διαφήμισης. Έχω επίσης γράψει σε ιστότοπους οικονομικών, οικονομικών και άλλων τομέων. Η δουλειά μου είναι και το πάθος μου. Τώρα, μέσα από τα άρθρα μου στο Tecnobits, προσπαθώ να εξερευνώ όλα τα νέα και τις νέες ευκαιρίες που μας προσφέρει καθημερινά ο κόσμος της τεχνολογίας για να βελτιώσουμε τη ζωή μας.