Способы программного управления электропитанием компонентов компьютера — ACPI
ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) – это стандарт (спецификация), определяющий способы программного управления электропитанием компонентов компьютера с помощью встроенных средств ОС (операционной системы). Другими словами данная технология предназначена для управления состоянием персонального компьютера и энергопотреблением его компонентов.
Кроме управления электропитанием данный стандарт позволяет выполнять конфигурацию устройств Plug and Play.
Управление электропитанием и конфигурирование устройств Plug and Play осуществляется на уровне операционной системы (предшественник спецификации ACPI стандарт АРМ реализован на уровне BIOS), то есть ОС практически полностью управляет энергопотреблением и конфигурированием устройств ПК.
Спецификация ACPI требует поддержки со стороны, как материнской платы, так и подключаемых устройств.
Для технологии ACPI определяют несколько состояний и подсостояний системы (компьютера): глобальные состояния системы, состояния ЦП (центрального процессора) и состояния устройств.
Глобальных состояний системы различают четыре:
G0 (S0) – нормальное функционирование системы;
G1 (S1, S2, S3, S4) – режимы уменьшенного энергопотребления, о которых мы поговорим чуть ниже.
G2 (S5) – программное выключение. В данном состоянии компьютер выключен, но блок питания находится под напряжением.
G3 – состояние в котором питание полностью отключено от блока питания (БП).
Режимы уменьшенного энергопотребления (S1, S2, S3, S4):
S1 (Power On Suspend, POS, Doze) – режим энергосбережения, при котором отключается монитор, винчестер, но на центральный процессор и ОЗУ (модули оперативной памяти) питание подается, снижается частота системной шины. Процессорные кэши сброшены, процессоры не выполняют инструкции, отключен генератор тактовой частоты ЦП.
S2 (Standby, Standby Mode) – режим уменьшенного энергопотребления. При данном режиме происходит отключение монитора, винчестера. От ЦП отключается напряжение питания. Останавливаются все тактовые генераторы (продолжают работать только те тактовые генераторы, которые необходимы для работы оперативной памяти). Питание подается только на системную память (в ней хранится информация о состоянии системы).
S3 (Suspend to RAM, STR, Suspend) – ждущий режим. При данном режиме энергосбережения питание подается только на оперативную память (в ней хранится информация о состоянии системы). Все другие компоненты ПК отключены.
S4 (Suspend to Disk, STD, Suspend to Hard Drive, S4-Hibernation) – глубокий сон. При данном режиме энергосбережения текущее состояние системы записывается на винчестер, после чего следует отключение питание всех компонентов ПК.
Для стандарта ACPI определяют несколько состояний процессора:
C0 – процессор работает в номинальном режиме.
C1 (Halt) – состояние уменьшенного энергопотребления. Работа процессора приостановлена, но он может незамедлительно вернуться в рабочее состояние.
C2 (Stop-Clock) – работа процессора приостановлена. Но регистры и кэш остаются в рабочем состоянии. Процессор может немедленно приступить к обработке заданий.
C3 (Sleep) – режим сна. Процессор в спящем режиме не обновляет кэш.
Для технологии ACPI также определяют четыре состояния устройств:
D0 – устройство работает в номинальном режиме.
D1 – режим уменьшенного энергопотребления (устройство использует меньше энергии чем состояние D0).
D2 – режим уменьшенного энергопотребления (устройство использует меньше энергии чем состояние D1).
D3 – устройство выключено.
Интерфейс автоматического управления конфигурацией и питанием (ACPI) — это промышленный стандарт, который определяет функции управления питанием и другие сведения о конфигурации компьютера. Некоторые предыдущие версии BIOS не поддерживают интерфейс ACPI, поэтому компьютеры не могут успешно переходить в дополнительные режимы питания, например в ждущий или спящий режим.
Интерфейс автоматического управления конфигурацией и питанием (ACPI) пришел на смену уже устаревшего АРМ (Advanced Power Management).
Обзор платформы управления питанием
Windows 7 и более ранние версии операционной системы обеспечивают поддержку только управления питанием на уровне устройства, что позволяет драйверу поддерживать D-состояния на устройстве. Спецификация интерфейса расширенной конфигурации и питания (ACPI) определяет состояния питания устройства от D0 (полностью включен) до D3 (полностью выключен), а также определяет состояния питания системы от S0 (полностью включено) до S5 (полностью выключено). Эти версии Windows не предоставляют механизмы для независимого управления питанием, предоставляемым отдельным компонентам устройства. В этих версиях Windows некоторые драйверы могут реализовывать пользовательские элементы управления питанием для компонентов, но эти элементы управления обычно усложняют драйверы и могут быть доступны только в том случае, если параметры питания компонентов управляются на устройстве.
Начиная с Windows 8, платформа управления питанием во время выполнения (PoFx) добавляет поддержку управления питанием на уровне компонентов. Компонент ( или подчиненный) — это функциональная аппаратная единица на устройстве, которую можно включить или переключить в состояние с низким энергопотреблением независимо от других компонентов на том же устройстве. Например, звуковое устройство может иметь отдельные компоненты для воспроизведения и записи, состояниями питания которых можно управлять независимо друг от друга. Если используется компонент воспроизведения, но компонент записи неактивен, компонент записи может быть переключен в маломощное состояние, не мешая активности компонента воспроизведения.
Драйвер устройства регистрируется в PoFx для независимого управления потреблением энергии в отдельных компонентах устройства. PoFx обеспечивает детализированное управление, необходимое для увеличения времени, в течение времени, когда портативный компьютер с Windows, планшет, телефон или другое мобильное устройство может работать от заряда батареи. PoFx снижает энергопотребление таким образом, чтобы поддерживать внешний вид мобильного устройства, которое всегда включено и всегда подключено.
Драйвер обычно поддерживает некоторое количество состояний питания компонентов: F0, F1 и т. д., где F0 — это состояние полного включения. Все компоненты поддерживают состояние F0. Драйвер, который является владельцем политики питания (PPO) для компонентов на устройстве, отвечает за определение любых дополнительных состояний низкой мощности Fx, которые могут иметь компонент. (Обычно драйвером функции для устройства является PPO.) Этот драйвер определяет количество маломощных состояний Fx для каждого компонента и атрибуты каждого состояния Fx. Fx указывает, что этот драйвер определяет, может отличаться от компонента к компоненту на одном устройстве.
PoFx предоставляет интерфейс драйвера устройства (DDI), с помощью которого драйвер может предоставлять сведения о состоянии и возможностях о компонентах на устройстве. Эти данные включают:
- Текущий уровень активности каждого компонента
- Время, необходимое компоненту для перехода из одного состояния питания в другое
- Задержка, которую могут допускать клиенты устройства, когда компонент выходит из состояния с низким энергопотреблением
Кроме того, PoFx получает системные сведения о доменах питания и часов, к которым принадлежит компонент. (Устройства в определенном домене питания совместно используют общую шину питания; устройства в определенном домене часов совместно используют общий сигнал времени.)
Основываясь на этой информации, PoFx принимает интеллектуальные решения о том, когда компонент должен переходить в состояние с низким энергопотреблением и какое состояние с низким энергопотреблением следует ввести. Процесс принятия решений включает информацию из других компонентов и других устройств, а также учитывает зависимости между устройствами и компонентами в различных доменах питания и часов.
Технологии ACPI и OnNow
В данной статье пойдет речь о вопросе управления энергопотреблением в современных компьютерах, выражаясь в специфической терминологии — Power Managment. Нет-нет, не закрывайте окно браузера, считая, что вас это не касается, поскольку вы не являетесь владельцем ноутбука и не состоите в партии зеленых. Речь пойдет о гораздо более интересных вещах: совместной инициативе Intel, Microsoft и Toshiba — ACPI, и одном из наиболее интересных ее практических воплощений в Windows98/NT — технологии OnNow, должной обеспечить «постоянно доступный PC».
Итак, что же собственно это такое — ACPI? Для начала, наверное, стоит расшифровать эту аббревиатуру. ACPI, в переводе на человеческий язык, означает Advanced Configuration and Power Interface. Или, говоря по-русски, «интерфейс расширенного конфигурирования и управления питанием». Его задача — обеспечить взаимодействие между операционной системой, аппаратным обеспечением и BIOS системной платы.
Посмотрим сначала, что творится в этой области сегодня. Большинство материнских плат, даже вышедших на базе таких относительно новых чипсетов как VIA Apollo MVP3 или Intel 440BX, не поддерживают расширенное управление энергопотреблением ACPI, несмотря на то, что по идее, ACPI-совместимым считается еще аж 430TX, а сам ACPI был анонсирован в апреле 1996 года. Его использование начинается только сегодня, по мере того, как для вышедших недавно материнских плат создаются новые версии BIOS, частично поддерживающие ACPI.
- Совместная работа компонентов системы отсутствует, как таковая: диски начинают раскручиваться, когда это совершенно ненужно, экран гаснет во время работы, поскольку текстовый редактор забыл отметиться у операционной системы, и т.д.
- BIOS системной платы, операционная система и приложения бьются друг с другом за контроль над аппаратным обеспечением компьютера. Но любое внешнее относительно материнской платы оборудование не участвует в процессе управления энергопотреблением — когда вы добавите в систему встроенный модем, сможет ли он как-то при установке высказать BIOS свои пожелания? И куда его пошлет BIOS?
- Имеющееся управление энергопотреблением в основном ограничено материнской платой и отличается крайней тупостью. Ну, например, Windows98 скидывает на винт своп-файл. Даже идиоту должно быть ясно, что винт в этот момент активен, этот факт можно даже не проверять. А BIOS системной платы все равно проверяет.
- Необходимость выключать или перезагружать компьютер при добавлении новых устройств. Кое-где уже наметился прогресс (USB, например), но все равно, до полной горячей замены еще далеко.
- Ну и, наконец, приложения не заботятся об экономии потребляемой компьютером энергии, да и работают не ахти. Выдерните из включенного компьютера видеокарту — наверняка ведь Word зависнет. 😉
- G0 — обычное, рабочее состояние
- G1 — suspend, спящий режим
- G2 — soft-off, режим, когда питание отключено, но блок питания находится под напряжением, и машина готова включиться в любой момент
- G3 — mechanical off — питание отключено напрочь
- S1: (standby 1) останавливаются тактовые генераторы CPU и всей системы, но при этом состояние памяти остается неизменным. Выход из S1 осуществляется мгновенно.
- S2: (standby 2) также останавливаются тактовые генераторы CPU и всей системы, но к тому же отключается питание кэша и CPU, а данные, хранившиеся там, сбрасываются в основную память. Включение также происходит достаточно быстро.
- S3: (suspend-to-memory) по замыслу, именно этот режим должен был быть OnNow, но по воле разработчиков пока так не получилось. Должны обесточиваться все компоненты системы, кроме памяти, в которой сохраняются необходимые данные о состоянии CPU и кэша. Включение с восстановлением предыдущего состояния PC действительно происходит Now, то есть практически сразу.
- S4: (suspend-to-disk) то, что реализовано в каком-то виде сейчас. Все компоненты системы обесточиваются, а данные о состоянии процессора и содержимое кэша и памяти записываются в специально отведенное место на жестком диске. При этом пробуждение может занимать значительное время.
- Автоматическое скачивание файлов из Internet и выполнение системных задач. Так, Internet’овское приложение может быть настроено для того, чтобы в 3 ночи включить компьютер, просмотреть несколько сайтов, и скачать вновь появившиеся файлы. Естественно, если оно поддерживает API OnNow. То же самое относится к таким программам, как антивирусы, резервное копирование, Scandisk, наконец.
- Сохранение сетевых соединений. Так, при выключении компьютера, или даже при его «засыпании», сетевое соединение рвется, файлы закрываются и т.д. При возникновении подобной ситуации, приложение, написанное с учетом OnNow, автоматом выполнит автосохранение используемых файлов на локальном диске и после включения компьютера и восстановления соединения, без криков позволит пользователю продолжить работу.
- Обработка специфических событий. Так, факс-модем способен находиться в состоянии приема 24 часа в сутки, независимо от того, включен компьютер или нет. Если он выключен, при входящем звонке модем его включит и запустит нужную программу.
И соответствующий пункт в закладке Advanced:
Я уже не говорю о не так хорошо заметных проявлениях в списке системных устройств:
Как вам нравятся такие устройства, как ACPI System Button или Composite Power Source? Но для появления всего этого после перепрошивки BIOS недостаточно просто переустановить Windows 98. Поддержка ACPI — опциональная, поэтому при инсталляции надо запустить SETUP с ключами /P J или же поправить реестр, добавив в ветке HKEY_LOCAL_MACHINESoftwareMicrosoftWindowsCurrent VersionDetect новую DWORD-переменную ACPIOption, установленную в 1. Однако, небольшое но. Ох уж это но, всегда оно появляется. Как обычно, новая технология отказывается работать в Windows сразу и без ошибок. Эта печальная практика затронула и OnNow. В Windows 98 фактически он не работает. До выхода Service Pack 1 все ограничится этими красивыми, но, к сожалению, бесполезными картинками. Сегодня в Windows’98 не работают ни Hibernate, ни вообще, какие либо функции управления питанием через ACPI. Весь контроль над ними берет на себя APM. Взять тот же Composite Power Source (по-русски говоря, — блок питания в корпусе): при входе в спящий режим через ACPI он должен выключаться, а при входе через APM (сегодня) — не выключается. Улавливаете разницу в уровне контроля над железом? Про Hibernate я вообще молчу. Там все отягощается еще и файловой системой. По крайней мере, по текущей информации, Hibernate не будет работать с FAT32. Только с FAT16. Кроме этого, для работы необходимы поддерживающие OnNow драйвера видеокарты. Пока их только делает ATI. Но и этого еще недостаточно. Многие из существующих CD ROM и SCSI-контроллеров с Hibernate также работать не могут. Остается надеяться, что к выходу SP1 (1999 год) Microsoft удастся справиться с этими проблемами. А производителям комплектующих — написать драйверы, позволяющие их продуктам корректно работать с ACPI. Уж больно не хочется видеть окно, возникающее сейчас на моем экране при попытке уйти в Suspend Mode:
Итог: любимый город может спать спокойно. По крайней мере, до 99 года, когда выйдет SP1 для Windows 98, а комплектующие и программы научатся работать в паре с ACPI. Возможно, однако, что OnNow будет все же работать через BIOS, в обход операционной системы. Например, плате ASUS P2B-E не будет требоваться команда Windows 98 для перехода в S3 (suspend-to-memory), а уже давно вышедшая плата Aopen AX-6BC умеет делать S4 (suspend-to-disk) не пользуясь средствами операционной системы.
ACPI — технология управления питанием
В наших с вами компьютерах существует множество опций, к существованию которых мы давно привыкли и воспринимаем их как должное. Среди них есть и такие, которые были введены в компьютерную жизнь благодаря принятию в середине 90-х гг. ведущими производителями компьютерного оборудования стандарта ACPI(Advanced Configuration and Power Interface — Расширенный интерфейс управления настройкой и питанием). Этот стандарт предоставляет операционной системе и, как следствие, пользователю компьютера мощные и эффективные средства для контроля аппаратных компонентов и управления их работой.
Например, в операционной системе Windows благодаря технологии ACPI пользователь может программно установить такие параметры, как временное или постоянное отключение компьютера или отдельных его компонентов, переход компьютера в режим пониженного энергопотребления, в спящий режим или в режим гибернации.
Эти функции кажутся нам теперь совершенно естественными, но в ранних версиях Windows, таких как Windows 95, не поддерживавших технологию ACPI (не говоря уже об операционных системах семейства DOS), операционная система не могла даже автоматически выключить компьютер, и пользователю приходилось самостоятельно нажимать кнопку питания для того, чтобы выключить системный блок.
История создания
Нельзя сказать, что стандарт ACPI появился на пустом месте. До его появления существовал стандарт управления питанием APM. Однако он поддерживался исключительно на уровне BIOS. Кроме того, его возможности были ограничены и в настоящее время этот стандарт практически не используется.
ACPI изначально разрабатывался в качестве открытого стандарта. Первая реализация ACPI была создана в 1996 году компаниями Toshiba, Intel и Microsoft, к которым позже присоединились Phoenix и Hewlett-Packard. Стандарт ACPI постоянно совершенствуется, а его последняя версия была выпущена в 2011 г. Первоначально в ACPI использовалась 16 и 32-битная адресация, которая позже сменилась 64-битной. В версии ACPI 3.0, вышедшей в 2004 г., была добавлена поддержка разъемов SATA, а также шины PCI Express.
На сегодняшний день эта технология поддерживается большинством операционных систем, а также процессорных архитектур. Помимо семейства ОС Microsoft Windows стандарт ACPI поддерживается также такими семействами ОС, как Linux и Free BSD.
Принцип работы
ACPI представляет собой независимый от платформы стандарт, облегчающий поиск устройств, их конфигурирование, управление питанием, а также мониторинг. Благодаря принятию стандарта ACPI были устранены конфликты между BIOS и операционной системой, и управление питанием стало осуществляться под контролем операционной системы.
Функции ACPI хранятся в БИОСЕ компьютера. Это справедливо, разумеется, для тех BIOS, которые поддерживают ACPI. Кроме того, для работы функций ACPI требуется поддержка технологии со стороны операционной системы.
ACPI на уровне BIOS состоит из нескольких компонентов, которые включают ядро ACPI и таблицы данных. В отличие от таких встроенных в BIOS технологий, как PnP, реализация ACPI в рамках BIOS не столь объемна, а функции ACPI BIOS ограничиваются организацией загрузки таблиц ACPI в память компьютера. Таблицы данных ACPI содержат сведения об аппаратной конфигурации и помогают операционной системе управлять аппаратными компонентами.
Преимущества
Какие же преимущества дает повсеместное внедрение стандарта ACPI простому пользователю?
Основная функция ACPI – контроль со стороны операционной системы за потреблением энергии всего компьютера и его отдельных компонентов. Например, при помощи функций ACPI операционная система может погрузить компьютер в режим сна, а также автоматически выключить питание. На практике пользователь может так настроить поведение компьютера, что он ничем не будет отличаться от электронной бытовой техники, такой, например, как музыкальный центр или телевизор, которые готовы к работе сразу же после того, как вы нажимаете их кнопку питания. При этом пользователь может пропустить ставшую традиционной загрузку компьютера.
Но этим возможности ACPI не ограничиваются. Пользователь может также запрограммировать поведение кнопки выключения питанием на системном блоке. При ее нажатии система будет спрашивать у вас, что делать — выключать ли компьютер, переводить ли его в спящий режим, режим гибернации, то есть, приостановки работы компьютера с сохранением текущей сессии, или ничего не делать. Единственной кнопкой на блоке, не зависящей от программных установок, на компьютере, поддерживающем ACPI, осталась лишь кнопка Reset.
Помимо контроля управления энергопитанием компьютера, технология предоставляет средства мониторинга состояния оборудования, что позволяет отслеживать такие параметры, как температура материнской платы и процессора, скорость вращения вентиляторов, и.т.д. Пользователи ноутбуков благодаря стандарту ACPI получили возможность следить за уровнем заряда батареи.
Стандарт ACPI определяет несколько режимов потребления энергия – номинальный режим, энергосберегающий режим, режим полной остановки, и.т.д. Эти режимы поддерживаются как всем компьютером, так и его отдельными компонентами, в том числе и центральным процессором.
Пользователь может настроить уровень поддержки ACPI компьютером, а также включить или выключить отдельные опции ACPI в БИОСЕ при помощи интерфейса настроек BIOS Setup.
Основные преимущества технологии:
- Управление питанием компьютера и его компонентов программными средствами
- Повышение экономичности компьютера
- Разрешение конфликтов между BIOS и ОС при конфигурировании устройств
- Платформенная независимость технологии ACPI
Заключение
Появление технологии ACPI является важным этапом эволюции компьютерных устройств. Благодаря появлению технологии ACPI компьютеры научились работать в более гибком режиме, подстраиваясь под нужды пользователя и стали более экономичными. Кроме того, благодаря ей упростился контроль со стороны операционной системы над аппаратным обеспечением компьютера.