מה ההבדל בין מצבי C למצבי P של המעבד?

במעבדים מודרניים, ניהול צריכת חשמל אינו מתג יחיד, אלא קבוצה של מנגנונים מתואמים (בין היתר מצבי C ומצבי P של המעבד) שמערכת ההפעלה, הקושחה והמעבד עצמו משתמשים בהן כדי להתאים את צריכת החשמל, הטמפרטורה והביצועים בזמן אמת. מאמר זה מזקק ומארגן את סבך ראשי התיבות הזה כדי שתוכלו להבין מה קורה מתחת למכסה המנוע כאשר המחשב שלכם חוסך באנרגיה או מאיץ.

למרות שכל יצרן ומשפחת מעבדים מוסיפים את הנגיעה הייחודית שלו, הבסיס משותף: ACPI מגדיר "מצבים" סטנדרטיים עבור המערכת, המכשירים והמעבד. כאן תראו את ההבדלים בין מצבי C למצבי P, כיצד הם קשורים למצבי G/S/D, איזו השפעה יש להם על זמן ההשהיה בעולם האמיתי, מדוע גיימרים ואודיופילים מקצועיים נוטים להשבית שינה עמוקה, ואילו כלים מעשיים זמינים לשימוש ב-Windows, Linux וסביבות כמו ESXi.

ACPI בקצרה

ACPI (תצורה מתקדמת וממשק חשמל) הוא התקן שמנהל את אספקת החשמל במחשבים ובשרתים, וכי החליף את APM עם שליטה ופירוט רב יותרהוא נולד מידי אינטל, מיקרוסופט וטושיבה בשנות ה-90 והתפתח וכללה אפיקים מודרניים של 64 סיביות, מרובי עיבוד (PCIe, SATA, USB 3.x) וזיהוי אירועים (למשל, כפתור ההפעלה).

למרות ש-ACPI משמש בעיקר במשפחת x86, הוא נפרס גם בארכיטקטורות אחרות. עם זאת, במכשירים ניידים של ARM, נעשה שימוש באסטרטגיות קנייניות (כגון big.LITTLE ואשכולות הטרוגניים) כדי לאזן בין יעילות ותגובה בהתאם לעומס.

מדינות גלובליות ומדינות מושעות (מדינות G ומדינות S)

מצבים גלובליים מתארים את המצב המלא של המערכת. החשוב ביותר הוא G0/S0 (עובד), היכן שהמחשב פעיל. בחומרה עדכנית יש S0ix (תת-מצבים של S0) אשר מאפשרים מצבי שינה עדינים מאוד כאשר חלק מה-SoC ישן, במיוחד במחשבים ניידים.

• G0/S0מערכת בפעולה.
• G1 (שינה): מכסה את S1, S2, S3 (השעיה ל-RAM) ו-S4 (מצב שינה לדיסק). S3 שומר על זיכרון RAM מופעל לחידוש מהיר; S4 מאחסן את הזיכרון לאחסון לא נדיף.
• G2/S5 (כיבוי רך)כיבוי לוגי עם צריכת חשמל מינימלית כדי לאפשר התעוררות עקב אירועים (מקלדת, רשת וכו').
• G3 (כיבוי מכני)כיבוי פיזי; רק ה-RTC שורד לכל סוללה.

זכור כי מצבי ה-C של המעבד נמצאים בטווח G0/S0כאשר המערכת נכנסת למצב G1, חבילת המעבד כבויה ומצבי C מפסיקים לפעול.

מצבי התקן (מצבי D)

ACPI מגדיר גם כיצד ציוד היקפי ישן או מתעורר. D0 שווה ערך ל"פעולה מלאה", D1/D2 הם ביניים (תלוי במכשיר) ו-D3 מתפצל ל-Hot (עם מתח עזר, מגיב לאפיק) או Cold (כבוי לחלוטין, לא מגיב). זה מאפשר, למשל, לכרטיס רשת להעיר את המחשב בזמן שהתקנים אחרים נשארים במצב שינה.

מדינות T: אפנון שעון, המוצא האחרון

בנוסף ל-P ו-C, יש את אפנון שעון (מצבי T)סוג של PWM שמדכא פולסי שעון פנימיים בתבנית (למשל, 1 מתוך כל 8), ומפחית את הפעילות מבלי לשנות את תדר הבסיס המפורסם. הוא מיועד כאמצעי נגד תרמי או חירום (PROCHOT) ונשלט באמצעות IA32_CLOCK_MODULATION, עם סיבות/לוגים ב-MSR_*_PERF_LIMIT_REASONS.

למרות שחלק מהמסמכים רואים בכך "לא רלוונטי", בפועל זה ממשיך להופיע במחשבים ניידים עם עיצוב תרמי הוגן ותחת עומסים מתמשכים. אם אתה רואה ש-Windows מדווח על "מהירות" מתחת ל-EIST המינימלי, סביר להניח שמצב T פעיל (שעון גישה).

מצבי M: חיסכון בזיכרון

ACPI מספק גם מצבי זיכרון כדי להפחית את צריכת החשמל של תת-מערכת ה-DRAM כאשר המערכת במצב סרק. M0 הוא פעולה רגילהמצבים מסוג M1/M2 ומצבים אחרים מאלצים את הזיכרון לרענן את עצמו ומאטים את זמן הפעולה, מה שמפחית את צריכת החשמל עם זמני השהייה ארוכים יותר של התעוררות. מצבים אלה פחות נראים לעין למשתמש, אך תורמים לחיסכון הכולל.

מצבי C של המעבד: שינה עם ראש

בואו נתייחס כעת לנושא המאמר: מצבי C ומצבי P. מצבי C הם המצבים הלא פעילים של הליבה או החבילה. ככל שהמספר גבוה יותר, כך השינה עמוקה יותר וחיסכון גדול יותר, אך גם השהיית התעוררות גבוהה יותר. הם מתבקשים באמצעות הוראות פריבילגיות כגון HLT או MWAIT (האחרונים יכולים לבקש במפורש Cx וסטטוס משנה), ומיפוי היכולות מגיע למערכת ההפעלה דרך ACPI (_CST).

• C0ביצוע רגיל. כאן נכנסות לתמונה מצבי P.
• C1/C1E (עצירה)הליבה נעצרת, חזרה כמעט מיידית ל-C0; C1E מפחית עוד יותר את הצריכה.
• C2 (שעון עצור)אותות השעון נעצרו, החזרה אורכת מעט יותר זמן.
• C3 (שינה/שינה עמוקה)L1/L2 נמחק למטמון האחרון (LLC) ושעוני הליבה כבויים; רק המצב החיוני של הגרעין נשמר.
• C6 ומעלהניתן לכבות את הליבה ולשמור את ההקשר שלה ב-SRAM ייעודי, מה שמוריד את מתח הליבה לכ-0 וולט; עם היציאה, מצב הליבה משוחזר. דגמים מסוימים נחשפים ל-C10 עד פלטפורמות עדכניות.

בנוסף למצבי C לכל גרעין (מצבי CC), יש את המישור של חבילת C-States (PC-states) שמכבים בלוקים משותפים (כמו ה-LLC) כאשר כל הליבות מאפשרות זאת. ישנם צירופים לא חוקיים (אם ליבה נמצאת ב-C0, החבילה לא יכולה להיות ב-PC6), והמעבד יכול "לקדם" או "להוריד" אוטומטית את הרמה בהתבסס על זמן השהייה והמקום בו הם שוהים ביעד.

ענייני השהייה: C1 ננטש תוך כמה עשרות מחזורים בלבד, בעוד ש-C6/C7 יכולים לעלות מאות מיקרו-שניות. לכן, עומסים רגישים לעיכוב (משחקים, אודיו בזמן אמת, רשת תובענית) נפגעים אם המעבד נופל לעתים קרובות לשינה עמוקה.

מצבי P בביצועים: תדר ומתח

בעוד שמדינות C הן "שינה כשאין עבודה", מדינות P הן "התאמת הקצב כש..." כן, יש עבודה, אבל היא לא דורשת את המקסימום.". P0 הוא מצב הביצועים הגבוה ביותר (תדר/מתח גבוהים ביותר), לאחר מכן מגיעים P1, P2... כל אחד עם זוגות תדר-מתח יורדים. טבלאות אלו מוצהרות למערכת ההפעלה דרך ACPI (_PSS) ונשלטות על ידי MSRs כמו IA32_PERF_CTL/IA32_PERF_STATUS.

מבחינה היסטורית, מערכת ההפעלה ביקשה מצבי P (EIST/SpeedStep ב-Intel, PowerNow! ב-AMD), אך כיום מקובל מצבי ביצועים הנשלטים על ידי חומרה (HWP/Speed ​​Shift)מערכת ההפעלה מציינת העדפה (ביצועים/חיסכון) והמעבד מחליט באלפיות השנייה על הנקודה המדויקת, עם פירוט דק מאוד לכל ליבה.

פרט מרכזי: מצבי P ומצבי C הם "אורתוגונליים"אתה יכול להיות במצב P0 (תדר גבוה) ועם היעדר תנועה, להיכנס למצב C6. לעומת זאת, תחת עומס מתמשך ב-P2, אין מצבי C מכיוון שהליבה מבצעת (C0). זו הסיבה שמומלץ להפריד נפשית בין "תדר/מתח" (P) לבין "סרק" (C).

מ-APM ל-ACPI: שינוי פרדיגמה

APM היה ה-API הקודם שנוהל בעיקר מ-BIOS וממנהלי התקנים. הוא איפשר זאת. כבה ציוד היקפי לא פעיל והגדרת מצבים גלובליים פשוטים, אך המעבד היה מחוץ לשליטתה הישירה של מערכת ההפעלה מסיבות אבטחה. ACPI התפתח למודל עשיר וסטנדרטי יותר, עם תיאורי טבלאות, בקרה מפורטת ושיתוף פעולה הדוק בין הקושחה, מערכת ההפעלה והחומרה.

איך להיכנס ולצאת ממדינות C

כאשר למתזמן אין תהליכים מוכנים, הוא מבצע HLT או MWAIT עם רמז למצב ה-C הנבחר; הפרעות "שוברות" את השינה ולהחזיר את הליבה ל-C0. מטמונים פרטיים נרוקנים ב-C3; ההקשר נשמר ב-SRAM ב-C6 והמתח יורד לאפס. חלק מהמעבדים מיישמים ניתוב פסיקות מודע לצריכת חשמל (PAIR) כדי לנתב פסיקות אל ליבות שכבר פעילות (לשמירה) או להשבתת ליבות (לגבי ביצועים), לפי הצורך.

טורבו, TDP ומגבלות הספק

מעבדים מגדירים TDP שמערכת הקירור חייבת להיות מסוגלת לפזר באופן מתמשך (PL1: הספק ממוצע בטוחלמעלה, חלונות חשמליים יותר יכולים להיכנס (PL2, ורמות נוספות כגון PL3/PL4 בהתאם לפלטפורמה) לתקופות מוגבלות. אם יש מרווח תרמי וחשמלי, הליבה יכולה לחרוג מתדר הבסיס באמצעות טורבו, אפילו צורה אסימטרית (יותר טורבו עם פחות ליבות פעילות).

כאשר הטמפרטורות עולות על הסף או שה-VRM/הספק דורש זאת, ניתן להפעיל את PROCHOT ולהיכנס למצב T או לגזירת תדרים כדי להגן על השבב. התנהגות זו נפוצה במחשבים ניידים דקים.

 

Windows: תוכניות צריכת חשמל, קריאות ומונים

הצעות של Windows תוכניות כמו "חיסכון באנרגיה", "מאוזן" ו"ביצועים גבוהים". הראשון נוטה ל להוריד את מצבי ה-P בצורה אגרסיבית ולישון בשקטהשלישי שומר על תדרים גבוהים ונמנע מירידות השהייה על חשבון יעילות. "מאוזן" מנסה למצוא דרך ביניים.

במנהל המשימות, "מהירות" היא מדד סינתטי ש... ממוצעים לליבה ומתחשבים בחובת המודולציה אם ישנם מצבי T. ייתכן שהוא יחרוג מהבסיס (טורבו) או ייפול מתחת ל-EIST המינימלי (גייטינג). עבור טלמטריה מתקדמת, המונה "\Processor Information(_Total)\% Processor Performance" משקף את אחוז הביצועים האפקטיביים על ידי המעבד.

ישנם כלי עזר לאבחון או לכוונון: CPU-Z (נתונים בסיסיים), HWiNFO (חיישנים), מצערת עצירה (שעונים, מצבי C לכל ליבה ובקרת PROCHOT/מודולציה), או פארק בקרה (כוונון חניה ליבה/מצבי C) שנוגעים בפרמטרים נסתרים של תוכנית צריכת חשמל (powercfg מאפשר עריכה של "IDLE_PROMOTE/DEMOTE" וכו').

לינוקס: cpupower, turbostat ו-CoreFreq

בלינוקס, כלים כמו כוח עבודה הצגת מווסתים, טווחי תדרים וזמן השהייה של מעבר; טורבוסטאט מציג את ערכי ה-MSR, סיבות למגבלת ביצועי הליבה (MSR_CORE_PERF_LIMIT_REASONS) ומגורים לפי מדינת C; ו- תדירות ליבה מספק תצוגה מפורטת של תדרים מוחלטים, מצבי C וטורבו לכל ליבה/חבילה.

ניואנס פרקטי: במחשבים מסוימים, מנהל ההתקן intel_idle יכול להתעלם ממגבלות ה-BIOS מעל מצבי C ומשתמשים בטבלה משלהם. באחרים, הקושחה "נועלת" את מצב ה-C העמוק ביותר המותר עבור מערכת ההפעלה דרך MSR.

BIOS/UEFI ופרופילים: מי באמת אחראי?

בהגדרות ה-BIOS/UEFI הם בדרך כלל מופיעים מתגים מרכזיים: EIST/SpeedStep, TurboBoost ומצבי C של המעבדבנוסף, שרתים רבים מאפשרים לך לבחור פרופילי צריכת חשמל: "ביצועים מקסימליים" (הכל במיטבו, עם השהיות מינימליות) או "נשלט/מותאם אישית על ידי מערכת הפעלה", כאשר ההיפר-ויזור או מערכת ההפעלה שולטים במצבי P/C. בחירה ב"מצב בקרת מערכת הפעלה" מעבירה את האינטליגנציה למערכת ההפעלה.

אם אתם משתמשים בהיפר-ויזורים כמו ESXi, מומלץ לשלב מצב בקרת מערכת הפעלה ב-BIOS עם תוכנית "ביצועים גבוהים" של ההיפר-ויזור כאשר המטרה היא לדחוס את הביצועים (לדוגמה עם NSX-T, צמתי קצה או פונקציות רגישות להשהייה). בתרחיש זה, תראו מצב P 0 בתדירות גבוהה יותר ומצבי C מוגבלים ל-C0/C1; עם תוכנית "מאוזנת", המארח יסתמך יותר על מצבי P נמוכים יותר ומצבי C עמוקים יותר.

לסיכום כל הבלגן הזה של מצבי C ומצבי P: ACPI מגדיר את המסגרת, מצבי C חוסכים חשמל כשאין עבודה, מצבי P מתאימים הילוך גבוה/נמוך תחת עומס, מצבי T מצילים את המצב בחום קיצוני, ומצבי M מפחיתים וואט מהזיכרון. המפתח הוא לבחור את הפרופיל המתאים לשימוש שלך., מדדו בעזרת הכלים הנכונים, ובמידת הצורך, קבעו גבולות סבירים לעומק המנוחה.