CPU 的 C 状态和 P 状态有什么区别？

在现代处理器中，电源管理不是一个单独的开关，而是一组 协调机制（CPU 的 C 状态和 P 状态等） 操作系统、固件和 CPU 本身会利用这些参数实时调整功耗、温度和性能。本文将对这些复杂的缩写进行提炼和整理，以便您了解计算机在省电或加速时背后的运作机制。

尽管每个制造商和 CPU 系列都添加了自己的特色，但基础是共同的： ACPI 定义标准“状态” 适用于系统、设备和处理器。在这里，您将了解 C 状态和 P 状态之间的区别、它们与 G/S/D 状态的关系、它们对延迟的实际影响、游戏玩家和专业音响发烧友经常禁用深度睡眠的原因，以及在 Windows、Linux 和 ESXi 等环境中有哪些实用工具可用。

ACPI 简介

ACPI (高级配置和电源接口) 是协调 PC 和服务器电源的标准， 以更好的控制和粒度取代 APM。它诞生于 90 年代，由英特尔、微软和东芝共同开发，并发展到包括 64 位、多处理、现代总线（PCIe、SATA、USB 3.x）和事件检测（例如电源按钮）的功能。

虽然 ACPI 主要用于 x86 系列，但它也已部署在其他架构上。然而，在 ARM 移动设备上， 使用专有策略（例如 big.LITTLE 和异构集群） 根据负载平衡效率和响应。

全局和暂停状态（G 状态和 S 状态）

全局状态描述了系统的完整状态。最重要的是 G0/S0（工作），其中计算机处于活动状态。在最近的硬件上 S0ix（S0 的子状态） 它允许部分 SoC 进入睡眠状态，实现非常精细的睡眠模式，尤其是在笔记本电脑中。

• G0/S0：系统正在运行。
• G1（睡眠）：涵盖 S1、S2、S3（挂起到 RAM）和 S4（休眠到磁盘）。 S3 保持 RAM 供电 快速恢复；S4 将内存刷新到非易失性存储器。
• G2/S5（软关机）：以最小功率进行逻辑关机，以允许通过事件（键盘、网络等）唤醒。
• G3（机械关闭）：物理关机；每个电池仅能维持 RTC 运行。

请记住 处理器的 C 状态位于 G0/S0 内：当系统进入 G1 时，CPU 包关闭并且 C 状态停止播放。

设备状态（D 状态）

ACPI 还定义了外围设备如何睡眠或唤醒。 D0 相当于“全功能”，D1/D2 为中间 （取决于设备）并且 D3 分支为热（使用辅助电源，响应总线）或冷（完全关闭，无响应）。例如，这允许网卡在其他设备处于休眠状态时唤醒计算机。

T-States：时钟调制，最后的手段

除了 P 和 C 之外，还有 时钟调制（T 状态）：一种 PWM，它会以某种模式（例如，每 8 个脉冲中抑制 1 个）抑制内部时钟脉冲，从而减少活动，而不会改变标称的基准频率。它旨在作为一种热效应或紧急应对措施 (PROCHOT)，并通过 IA32_CLOCK_MODULATION 进行控制，原因/日志位于 MSR_*_PERF_LIMIT_REASONS 中。

尽管有些文件认为这“无关紧要”，但在实践中 它不断出现在具有良好散热设计的笔记本电脑上 以及持续负载下。如果您看到 Windows 报告的“速度”低于最低 EIST，则很可能存在 T 状态激活（时钟门控）。

M-States：节省内存

ACPI 还提供内存状态以在系统空闲时降低 DRAM 子系统的功耗。 M0为正常运行M1/M2 和其他模式会强制内存自我刷新，从而降低时序，延长唤醒延迟，降低功耗。这些变化对用户来说不太明显，但有助于整体节能。

处理器 C 状态：头部睡眠

现在我们来讨论一下本文的主题：C 状态和 P 状态。C 状态是内核或程序包的空闲状态。 数字越高，睡眠越深 并带来更大的节省，但唤醒延迟也更高。它们通过特权指令（例如 HLT 或 MWAIT）进行请求（后者可以明确请求 Cx 和子状态），并且功能映射通过 ACPI（_CST）到达操作系统。

• C0：正常执行。这时 P 状态就发挥作用了。
• C1/C1E（停止）：核心停止， 几乎立即返回 至C0；C1E进一步降低消耗。
• C2（停表）：时钟信号停止，返回需要稍长的时间。
• C3（睡眠/深度睡眠）：L1/L2 被刷新到最后一个缓存（LLC）并且核心时钟被关闭； 仅保留原子核的本质状态.
• C6 及以上：内核可以关闭，其上下文信息会保存在专用 SRAM 中，从而将内核电压降至约 0 V；退出时，内核状态将恢复。某些型号在最新平台上最高可达 C10。

除了每个原子核的 C 态（CC 态）之外，还有 包 C 状态（PC 状态） 当所有核心都允许时，关闭共享块（例如 LLC）。存在无效的组合（如果核心位于 C0，则数据包不能位于 PC6），并且 CPU 可以根据目标延迟和驻留时间自动“提升”或“降低”层级。

延迟很重要： C1 仅用几十个周期就被废弃而 C6/C7 则可能耗时数百微秒。因此，如果处理器频繁进入深度睡眠，延迟敏感型负载（游戏、实时音频、高要求网络）就会受到影响。

性能 P 状态：频率和电压

C 型州是“没有工作时睡觉”，而 P 型州是“调整节奏时 是的，有工作，但不需要付出最大努力。”。P0 代表最高性能状态（最高频率/电压），然后是 P1、P2……每个状态的频率/电压对依次递减。这些表通过 ACPI (_PSS) 声明到操作系统，并由 IA32_PERF_CTL/IA32_PERF_STATUS 等 MSR 控制。

历史上，操作系统要求 P-States（英特尔的 EIST/SpeedStep，AMD 的 PowerNow!），但今天常见的是 硬件控制的性能状态（HWP/Speed Shift）：操作系统指示偏好（性能/节省），CPU 以毫秒为单位决定精确点，并且每个核心的粒度非常精细。

一个关键细节： P 状态和 C 状态是“正交的”您可以处于 P0（高频）状态，然后在进入非活动状态后进入 C6 状态。相反，在 P2 持续负载下，由于核心正在执行（C0），因此不存在 C 状态。这就是为什么最好在心理上将“频率/电压”（P）与“空闲”（C）区分开来。

从 APM 到 ACPI：范式转变

APM 是以前主要由 BIOS 和驱动程序管理的 API。它允许 关闭不活动的外围设备并定义简单的全局状态但出于安全原因，CPU 不受操作系统的直接控制。ACPI 发展成为一个更丰富、更标准化的模型，具有表格描述、精细控制以及固件、操作系统和硬件之间的紧密协作。

如何进入和退出 C 状态

当调度程序没有准备好的线程时，它会执行 HLT 或 MWAIT 并提示目标 C 状态； 干扰会“破坏”睡眠 并将核心返回到 C0。私有缓存在 C3 处刷新；上下文在 C6 处保存到 SRAM，电压降至零。一些 CPU 实现了电源感知中断路由 (PAIR)，将中断路由到 已经活跃的核心（保存）或闲置的核心 （为了表现），视情况而定。

Turbo、TDP 和功率限制

处理器定义了冷却系统必须能够持续散热的 TDP（PL1：安全平均功率)。 以上，更高级别的电动车窗可以进入（PL2以及根据平台而定的 PL3/PL4 等额外级别）在有限时间内保持稳定。如果存在散热和电气余量，核心可以通过 Turbo 超过基频，即使 不对称形状（涡轮增压更多，活动核心更少）.

当温度超过阈值或 VRM/电源需要时， PROCHOT 可以激活 并进入T状态或频率削波来保护芯片。这种行为在轻薄笔记本电脑中很常见。

 

Windows：电源计划、读数和计数器

Windows 提供 “节能”等计划、“平衡”和“高性能”。前者倾向于 积极降低 P 状态并安然入睡第三种方案保持高频率，并避免延迟下降，但以牺牲效率为代价。“平衡”方案则尝试一种中间立场。

在任务管理器中，“速度”是一个综合指标， 每核平均值并考虑调制占空比 如果存在 T 状态。它可能超过基准值（Turbo）或低于最低 EIST（门控）。对于高级遥测，“\处理器信息（_Total）\% 处理器性能”计数器反映的是 CPU 有效性能的百分比。

有一些实用程序可以诊断或调整： CPU-Z （基础数据）， HWINFO （传感器）， 油门停止 （时钟、每个核心的 C 状态和 PROCHOT/调制控制），或 ParkControl （核心停车调整/C 状态）触及隐藏的电源计划参数（powercfg 允许编辑“IDLE_PROMOTE/DEMOTE”等）。

Linux：cpupower、turbostat 和 CoreFreq

在 Linux 中，类似这样的工具 中央处理器 显示调节器、频率范围和转换​​延迟； 涡轮增压器 显示 MSR、核心性能限制原因（MSR_CORE_PERF_LIMIT_REASONS）以及 C-State 的居住地； 核心频率 提供每个核心/封装的绝对频率、C 状态和 Turbo 的详细视图。

一个实际的细微差别：在某些计算机上，驱动程序 intel_idle 可以忽略 BIOS 限制 覆盖 C 状态并使用其自己的表。在其他情况下，固件通过 MSR“锁定”操作系统允许的最深 C 状态。

BIOS/UEFI 和配置文件：谁真正负责？

它们通常出现在 BIOS/UEFI 设置中 按键开关：EIST/SpeedStep、TurboBoost 和 CPU C-States此外，许多服务器允许您选择电源配置文件：“最高性能”（所有功能均处于最佳状态，延迟最小）或“操作系统控制/自定义”（由虚拟机管理程序或操作系统控制 P/C 状态）。选择“操作系统控制模式”可将智能委托给操作系统。

如果您使用 ESXi 之类的虚拟机管理程序，最好结合 BIOS 中的操作系统控制模式与“高性能”计划 当目标是压缩性能时（例如使用 NSX-T、边缘节点或延迟敏感功能），虚拟机管理程序会更加依赖 P 状态 0。在这种情况下，您会更频繁地看到 P 状态 0，而 C 状态限制为 C0/C1；而使用“平衡”计划，主机将更多地依赖较低的 P 状态和更深的 C 状态。

总结一下整个 C 状态和 P 状态的混乱情况：ACPI 定义框架，C 状态在没有工作时节省电力，P 状态在负载下调整高/低档，T 状态在极端高温下挽救局面，M 状态减少内存的瓦数。 关键是选择适合您用途的正确配置文件。，使用正确的工具进行测量，并在必要时对休止深度设置合理的限制。