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進階組態與電源介面

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進階組態與電源介面
狀態已出版
首次出版1996年12月
最新版本6.5
2022年8月
組織
有關標準UEFI
領域電源管理韌體
縮寫ACPI
網站uefi.org/acpi

進階組態與電源介面（英語：Advanced Configuration and Power Interface，縮寫：ACPI），是1997年由英特爾、微軟、東芝共同提出、制定的作業系統電源管理、硬件組態介面，是一種開放標準，取代了進階電源管理、多處理器規範、舊式隨插即用（英語：Legacy Plug and Play）規範。2000年8月康柏和鳳凰科技加入，推出 ACPI 2.0規格。2004年9月惠普取代康柏，推出 ACPI 3.0規格。2009年6月16日則推出 ACPI 4.0規格。2011年11月23日推出ACPI 5.0規格。由於ACPI技術正被多個作業系統和處理器架構採用，該規格的管理模式需要與時俱進。2013年10月，ACPI的推廣者們一致同意將ACPI的屬有歸到UEFI討論區。今後新的ACPI規格將由UEFI討論區制定。ACPI定義了系統韌體（BIOS或UEFI）和作業系統之間的硬件抽象介面[1][2]。

概要

作為標準中最廣為認可的部分，電源管理經歷了較多的改進。

首先，進階電源管理（APM, Advanced Power Management）將電源管理幾乎完全分配給BIOS控制，這大大的限制了作業系統在控制電能消耗方面的功能。

ACPI可以實現的功能包括：

  • 系統電源管理（System power management）
  • 裝置電源管理（Device power management）
  • 處理器電源管理（Processor power management）
  • 裝置和處理器效能管理（Device and processor performance management）
  • 組態/隨插即用（Configuration/Plug and Play）
  • 系統事件（System Event）
  • 電池管理（Battery management）
  • 溫度管理（Thermal management）
  • 嵌入式控制器（Embedded Controller）
  • SMBus控制器（SMBus Controller）

Windows 98是微軟第一個支援ACPI的作業系統。FreeBSD v5.0是支援ACPI的第一個UNIX作業系統 [來源請求]。Linux、NetBSD和OpenBSD都支援ACPI。Windows Vista及以後的Windows要求電腦必須支援ACPI。

ACPI術語（部分）

  • 進階組態電源管理介面（Advanced Configuration and Power Interface (ACPI)）
按照在本文中的定義， ACPI是一種描述硬件介面的方法，要足夠抽象以允許靈活創新的硬件實現，並且足夠具體以允許shrink-wrap OS code使用這個硬件介面
  • ACPI硬件（ACPI Hardware）
它是一種電腦硬件，具有支援OSPM所必備的特性，而且還具有特定的介面，這些介面的特性是由ACPI規範所指定的描述表（Description Tables）所描述的。
  • ACPI命名空間（ACPI Namespace）
一個樹狀層次機構，在受作業系統控制的主記憶體裏面，這段主記憶體裡面包含命名對象（named objects）等。這些對象（objects）可以是數據對象，控制方法對象，匯流排/裝置包對象等。作業系統通過從駐留在 ACPI BIOS 中的 ACPI Tables 載入載出（loading and/or unloading）定義塊（definition blocks），來動態改變命名空間（namespace）的內容。在ACPI Namespace 中的所有資訊都來自 Differentiated System Description Table (DSDT)，DSDT 裡面包含了 Differentiated Definition Block 還有一個或者多個其他的定義塊（definition blocks）。
  • ACPI機器語言（ACPI Machine Language (AML)）
是一種由ACPI相容的OS支援的虛擬機器的偽代碼（Pseudo-code），裏面寫有ACPI控制方法和控制對象。
  • 進階可程式化中斷控制器（Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC)）
一個中斷控制器架構，通常多見於Intel32位元架構（Intel Architecture-based 32-bit）的PC系統。APIC架構支援多處理器中斷管理（中斷均勻的分佈在所有處理器），多I/O子系統支援，與8259A相容，並且支援處理器內部中斷（Inter-Processor Interrupt, IPI）。這個架構由直屬於處理器的本地APICs（Local APICs）和在（南橋）晶片中的I/O APIC組成。
  • ACPI源語言（ACPI Source Language (ASL)）
一種和AML等同的程式語言。ASL編譯以後就是AML鏡像（AML images）。
  • 控制方法（Control Method）
控制方法定義OS如何執行一個簡單的硬件任務。例如，OS呼叫控制方法（Control Method）去讀取一個高溫區的溫度。控制方法是用一種叫做AML的編碼語言寫的，AML可以被相容ACPI的OS所解釋並執行。ACPI相容的系統必須在ACPI table中提供一組最小的控制方法。OS提供一組well-defined 的控制方法，以使ACPI table開發者能夠在他們的控制方法中參照。OEM廠商可以通過，要麼Including control methods in the BIOS that test configurations and respond as needed，要麼為晶片組的不同修訂版包含一組不同的控制方法，來使一個BIOS能夠同時支援晶片組的不同修訂版。
  • 中央處理器或者處理器（Central Processing Unit (CPU) or Processor）
  • 定義區塊（Definition Block）
Definition Blockl以數據和控制方法（編碼成AML）的形式包含關於硬件實現和組態詳細資訊。OEM廠商可以在ACPI Tables中提供一個或者多個Definition Blocks。有一個definition block是必須被提供：那就是Differentiated Definition Block，它描述了基本的系統。在裝載Differentiated Definition Block之後，緊接着OS會把Differentiated Definition Block的內容插入到ACPI Namespace。OS可以動態的從the active ACPI Namespace插入和刪除的其他definition blocks，可以包含指向Differentiated Definition Block的參照。
  • 裝置（Device）
  • 熱溫區（Thermal Zone）
  • ACPI 風扇（Fan）
  • 裝置上下文（Device Context）
裝置中包含的變化的數據；通常是揮發性（volatile）數據。當進入或者離開特定的狀態（states）的時候，裝置應該忘記這些資訊，在這種情況下OS軟件負責儲存並恢復這些資訊。裝置上下文（Device Context）指的是包含在裝置周邊的小數量的資訊。同樣可以看看系統上下文。
  • 區分系統描述表（Differentiated System Description Table (DSDT)）
OEM廠商必須為ACPI相容的OS提供一個DSDT。這個DSDT包含區分定義塊，它能提供關於基本系統的實現和組態資訊。OS總是在ACPI Namespace中插入DSDT資訊，當系統啟動的時候，而且絕不會刪除它。
它是一個在OS和韌體平台之間的介面。
  • 嵌入式控制器（Embedded Controller）
  • 嵌入式控制器介面（Embedded Controller Interface）
  • 韌體ACPI控制結構（Firmware ACPI Control Structure (FACS)）
在讀寫主記憶體中的一種結構，BIOS用它來實現韌體和OS之間的資訊交換（handshaking ）。通過FADT(Fixed ACPI Description Table)FACS被轉到相容ACPI的OS中。FACS包含上次啟動時的系統硬件簽章，firmware waking vector，和Global Lock。
  • 固定ACPI描述表（Fixed ACPI Description Table (FADT)）
一個包含ACPI 硬件暫存器塊（Hardware Register Block）的實現和組態詳細資訊的表，OS需要用這些組態資訊來直接管理ACPI硬件暫存器塊和DSDT的實體位址，DSDT則包含其他平台的實現和組態詳細資訊。 OEM廠商必須在RSDT/XSDT中提供FADT給相容ACPI的OS。當系統啟動的時候，OS則總是把已經定義好了的namespace資訊（它存在於DSDT的Differentiated Definition Block中）插入到ACPI Namespace，並且OS絕不會刪除它。
  • 固定特徵（Fixed Features）
ACPI介面提供的一組特徵。ACPI規範限制硬件編程模型（hardware programming model）在哪產生還有如何產生的。所有的Fixed Features，如果被使用了，會按照本片規範中的描述進行實現，以使OSPM能夠直接訪問Fixed Features暫存器（fixed feature registers）。
  • 固定特徵事件（Fixed Feature Events）
一組事件，當Fixed Feature暫存器中的一對狀態和事件位（event bits）被在同一時間設定時，這組事件會在ACPI介面處發生。當一個Fixed Feature時間發生時，系統控制中斷（SCI，system control interrupt）is raised。對於ACPI Fixed Feature Events來說OSPM（or an ACPI-aware driver）扮演事件的處理者。
  • 固定特徵暫存器（Fixed Feature Registers）
一組在fixed feature register space中的硬件暫存器，fixed feature register space在系統I/O地址空間的特殊的地址里。ACPI為fixed features定義了暫存器塊（register blocks）（每個暫存器塊從FADT那裏得到一個單獨的指標）
  • 一般目的事件暫存器（General-Purpose Event Registers）
The general-purpose event registers contain the event programming model for generic features. All general-purpose events generate SCIs.
  • 一般特徵（Generic Feature）
  • 全域系統狀態（Global System States）
Global System States適用於整個系統，而且對於用戶是可見的。各種不同的Global System States在ACPI規範中是從G0標記到G3的。
  • 省略位（Ignored Bits）
在ACPI硬件暫存器中的一些沒有被使用的位（bits），在ACPI規範中會指定這些位是「ignored」的。在讀的時候，軟件會忽略ACPI硬件暫存器中的Ignored Bits位（而不去讀取它），寫的時候，會保護Ignored Bits（不去寫這寫位）。
  • Intel個人電腦架構（Intel Architecture-Personal Computer (IA-PC)）
一種對於電腦的一般描述術語，這種電腦的處理器架構符合Intel處理器家族基於Intel架構指令集（Intel Architecture instruction set）的定義，並且有工業標準（industry-standard）PC的結構。
  • I/O APIC（Input/Output Advanced Programmable Interrupt Controller）
一個輸入輸出進階可程式化中斷控制器，用來從裝置傳遞中斷給處理器裏面的本地APIC（local APIC）。
  • I/O SAPIC
An Input/Output Streamlined Advanced Programmable Interrupt Controller用來從裝置傳遞中斷給處理器裏面的本地APIC（local APIC）。應用於安騰處理器（Itanium）。和APIC的不同可以看看Intel® Itanium® Processor Family Interrupt Architecture Guide ，PDF文件的最後一章會講到不同點。
  • 老式的（Legacy）
這是一種電腦狀態，在這個電腦狀態下電源管理策略是由平台硬件/韌體決定的。在如今的系統中，傳統電源管理特性被用來支援安裝有傳統OS的電腦中的電源管理，這種傳統OS並不支援OS直接管理電源架構（OS-directed power management architecture）。
  • 老式的硬件（Legacy Hardware）
沒有ACPI或者OSPM電源管理支援的電腦系統。
  • 老式的作業系統（Legacy OS）
此類的作業系統無法得知或對系統的電源管理功能做管理，包含在此類型內的如一些支援APM 1.x的作業系統。
  • 本地APIC（Local APIC）
接收來自I/O APIC的中斷。
  • 本地SAPIC（Local SAPIC）
接收來自I/O SAPIC的中斷。關於SAPIC，請看「I/O SAPIC」。
  • 複合APIC描述表（Multiple APIC Description Table (MADT)）
它被用在支援APIC和SAPIC的系統上，以描述APIC的實現。Following the MADT is a list of APIC/SAPIC structures that declare the APIC/SAPIC features of the machine.
  • 對象（Object）
ACPI Namespace的節點就是objects，這些objects被OS用system definition tables中的資訊插入tree。這些objects可以是數據對象（data objects），包對象（package objects），控制方法對象（control method objects）等。包對象refer to其他對象（objects）。對象同樣擁有類型（type），大小（size），和相對名稱（relative name）。
  • 對象名（Object name）
ACPI Namespace的一部分。有一組規則for naming objects。
  • 作業系統直接電源管理（Operating System-directed Power Management (OSPM)）
電源（和系統）管理的一個模型，在其中OS扮演重要的角色，使用全域資訊為手邊的任務最佳化系統行為（system behavior）。
  • 包（Package）
一組objects。
  • 電源按鈕（Power Button）
用戶按的按鈕或者其他有觸點的開關（switch contact）裝置，通過它可以把系統從睡眠或者soft off狀態切換到工作狀態，還可以給OS傳送訊號使OS從睡眠或者soft off狀態恢復到工作狀態。
  • 電源管理（Power Management）
一種最小化系統電源消耗的軟硬件機制，管理系統熱量限制，延長系統電池使用時間（battery life）。電源管理在系統速度，噪音，電池使用時間，處理器速度，還有電源消耗之間取得平衡。一些system functions，比如appliance (for example, answering machine, furnace control) operations，需要電源管理。
  • 電源資源（Power Resources）
裝置需要的資源（比如power planes和clock sources），裝置需要在給定的電源狀態下對這些資源進行操作。
  • 電源來源（Power Sources）
  • 暫存器分組（Register Grouping）
由兩個暫存器塊組成（它有兩個指向兩個不同暫存器塊的指標）。在暫存器分組（register grouping）內部的固定位可以被在兩個暫存器塊（register blocks）之間拆分。這就允許了在暫存器分組內部的位可以被在兩個晶片（chips）之間拆分。
  • 保留位（Reserved Bits）
在ACPI硬件暫存器中有一些沒有被使用的位，在ACPI規範中被稱為保留位。為了未來能夠擴充，硬件暫存器保留位總是被歸零，並且寫入的數據不會造成其他的影響。OSPM的實現必須往所有使能和狀態暫存器的保留位寫「0」，同樣還要往控制暫存器（control registers）的preserve bits寫「0」
  • 根系統描述指標（Root System Description Pointer (RSDP)）
相容ACPI的系統必須在系統低地址空間（system’s low address space）提供一個RSDP。這種結構的唯一目的就是提供RSDT和XSDT的實體位址。
  • 根系統描述表（Root System Description Table (RSDT)）
signature為RSDT的table，它跟隨在一組指向其他系統描述表（system description tables）的物理指標之後。OS通過跟隨RSDP結構中的指標來定位RSDT。

狀態

全域狀態（Global System States，G-State）

ACPI規範定義了一台相容ACPI的電腦系統可以有以下七個狀態（所謂的全域狀態）：

  • G0(S0)正常工作狀態：電腦的正常工作狀態-作業系統和應用程式都在執行。CPU執行指令。 在這個狀態下(即沒有進入G1睡眠)，CPU、硬碟、光碟機等裝置可以進入節能狀態（如裝置和處理器效能狀態P-State、裝置電源狀態D-State、處理器電源狀態C-State）或從節能狀態恢復。
  • G1 睡眠 細分為從S0ix到S4等幾種狀態。Linux內核的/sys/power/state檔案中對應的關鍵字與狀態: standby(S1), mem(S3), disk(S4)。在Windows中可用powercfg /a命令列出平台支援的ACPI G1狀態。
    • S0ix：Modern Standby。只有BIOS、作業系統和所有的硬件都支援S0ix才能使用Modern Standby[3]。S0ix與S3不相容。
    • S1：最耗電的睡眠模式。CPU的所有暫存器被重新整理，並且CPU停止執行指令。CPU和主記憶體的電源被維持。這種模式通常叫Power on Suspend或者叫做POS。老式的電腦對S1支援可能比S3好。
    • S2：一種比S1更深的睡眠狀態，停止CPU的電源供應。然而，這種模式通常並不被採用。
    • S3 ：又稱為Suspend to RAM或STR，在Windows XP以後的Windows版本和一些Linux發行版中叫做"待機(Standby)"， 在Windows Vista和Mac OS X則叫做"睡眠(Sleep)"。在這個狀態下，RAM是唯一的有電源供應的元件。S3的恢復的過程比S4快。如果S3睡眠過程中斷電，則所有儲存在RAM中的資料將遺失。S3是手提電腦最常用的睡眠模式。
    • S4： 在Windows中叫休眠 ，在Mac OS X中叫作安全睡眠，也稱為Suspend to Disk。在這個狀態下，所有主記憶體的內容被儲存在硬碟，儲存作業系統當前的狀態。S4和S3之間的差異是：S4消耗的時間較S3長；S3狀態下的時候如果系統斷電，則所有RAM上的數據就會遺失，包括所有的沒有儲存的文件，而在S4狀態下則沒有影響。S4和"S1-S3"狀態有很大不同，更類似G2Soft Off狀態和G3 Mechanical Off狀態。在S4狀態下的系統同樣可進入G3(Mechanical Off)狀態，並且保留S4時候的狀態資訊。在Windows中可用powercfg命令的/h開關設置Windows的休眠功能。
  • G2（S5）Soft Off--G2，S5，和Soft Off都是相同的叫法。G2和G3Mechanical Off幾乎是相同的，但有些部件仍然帶電，使電腦仍然可以被鍵盤、時鐘（RTC）、數據機、LAN、USB等裝置所喚醒。[4]在啟動系統從G2恢復到G0正常工作模式的過程中，無論是G3 Mechanical Off還是G2都得執行啟動程式來啟動作業系統。

此外，當作業系統在不支援ACPI的情況下執行，這種狀態被定義為Legacy。在這個狀態下，硬件和電源不是通過ACPI來管理的，而是由進階電源管理（APM）、舊式隨插即用（Legacy Plug and Play）等管理。

  • G3（S6）Mechanical Off--G3，S6，和Mechanical Off都是相同的叫法。即全部件斷電，在這種情況下只能從開機鍵喚醒。

（參考資料：ACPI規範3.0b版的連結在下面 External links, 檢視chapter 7.3.4)

裝置電源狀態(Device Power State)

當一個裝置已沒有電源供應的時候，可能整個電腦系統還在工作，光驅是一個很好的例子。 裝置狀態是與裝置相關的狀態，他們的定義和以下四個因素有關：

電源消耗（Power consumption），裝置用電量的多少。

裝置狀態/環境（Device context），裝置（從D0進入其他狀態的時候）保留了多少原來的狀態/環境。作業系統負責儲存遺失的裝置狀態/環境。

裝置驅動（Device driver），讓裝置恢復到D0，驅動程式應該做什麼（或者做多少）。

裝置狀態有以下幾個：

  • D0 Fully-On 是（正常）工作狀態，電源消耗量最多，裝置是完全被響應的，並且裝置保留了全部的裝置狀態/環境。
  • D1 和 D2是中間電源狀態，它的定義根據裝置的不同而有所不同。
  • D3 Off是裝置電源關閉所以對匯流排來說是沒有相應的。裝置狀態/環境全部遺失，作業系統會重新初始化裝置當重新給它加電的時候。這個狀態下的裝置恢復到D0相比之下需要最長的時間。


裝置狀態總結
裝置狀態 電源消耗 保留裝置狀態資訊 驅動程式恢復
D1 D0>D1>D2>D3 >D2 <D2
D2 D0>D1>D2>D3 <D1 >D1
D3 - Off 0 沒有保留 完全初始化並且裝載

處理器電源狀態(Processor Power State)

處理器電源狀態（C0，C1，C2，C3……Cn狀態）是指在G0狀態下的處理器電能消耗和溫度管理的狀態。

只有C0狀態下CPU才會執行指令，C1到Cn狀態下CPU都處於各種不同程度的睡眠狀態（Sleeping States），在這睡眠狀態下，CPU都有一個恢復到C0的喚醒時間（latency），它是和CPU的電能消耗有關的，通常，用電能量越小意味着得花更長的時間恢復到C0狀態，也就是喚醒時間越長。

當在C0狀態下時，ACPI可以通過效能狀態（P-states）來改變處理器的效能。

各個狀態的定義如下所示：

  • C0是正常工作狀態，當處理器處於這種狀態下的時候，它能正常處理指令。
  • C1（通常稱為Halt），擁有最短的喚醒時間，這個延時必須短到作業系統軟件使用CPU的時候不會考慮到喚醒時間方面的因素。一些處理器，比如Pentium 4、酷睿，支援C1E（Enhanced C1 state）。
  • C2 (通常稱為Stop-Clock)，這個狀態下處理器維持着所有的軟件所見的狀態資訊，但是需要更長的時間來恢復到C0。這個狀態下情況最壞的硬件喚醒時間是由ACPI韌體提供，並且作業系統可以利用這些資訊來決定是採用C1而不是C2狀態，C2比C1更省電。
  • C3 (通常稱為Sleep)，相比C1和C2更省電了。這個狀態下情況最壞的硬件喚醒時間是由ACPI韌體提供，並且作業系統可以利用這些資訊來決定是採用C2而不是C3狀態，當處於C3狀態時，處理器快取保留了所有的狀態資訊，但是忽略所有的偵聽。作業系統負責保證快取數據的一致性。
  • 附加的C-State由處理器廠商來定義，如Intel Haswell處理器最多有C10。

裝置和處理器效能狀態（Device and Processor Performance States）

裝置和處理器效能狀態（Px狀態）是在C0（對於處理器）和D0（對於裝置）下定義的電源消耗和能力的狀態。效能狀態允許OSPM在效能和能源消耗之間取得平衡。P0是最高效能狀態，從P1到Pn是連續的低效能狀態，最高限制n為16。

  • P0狀態，使用最大效能並且消耗的電能最多。
  • P1狀態，效能比前者要小，但是消耗電能也相應少一些。
  • Pn狀態，n是的大小是依賴於處理器和裝置的，處理器和裝置可以定一個任意的不超過16的數字。

這個狀態在Intel處理器中稱為SpeedStep，在AMD處理器中稱為PowerNow!、Cool'n'Quiet，在VIA處理器中稱為PowerSaver。

參見

參考文獻

  1. ^ What is ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)? - Definition from WhatIs.com. SearchWindowsServer. [2020-09-18]. （原始內容存檔於2019-05-15） （英語）. 
  2. ^ ACPI Device Tree - Representation of ACPI Namespace — The Linux Kernel documentation. www.kernel.org. [2020-09-18]. （原始內容存檔於2020-08-05）. 
  3. ^ 新式待命. docs.microsoft.com. [2020-03-20]. （原始內容存檔於2022-04-23） （中文（繁體））. 
  4. ^ Aram Kananov » How To: ACPI Suspend to RAM on Dell Latitude D800 with Fedora Core 3 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2008-10-02.

外部連結

取自 "https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=高级配置与电源接口&oldid=84505650"