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高级配置与电源接口

高级配置与电源接口（英语：Advanced Configuration and Power Interface，缩写：ACPI），是1997年由英特尔、微软、东芝共同提出、制定的操作系统电源管理、硬件配置接口，是一种开放标准，取代了高级电源管理、多处理器规范、旧式即插即用（英语：Legacy Plug and Play）规范。2000年8月康柏和凤凰科技加入，推出 ACPI 2.0规格。2004年9月惠普取代康柏，推出 ACPI 3.0规格。2009年6月16日则推出 ACPI 4.0规格。2011年11月23日推出ACPI 5.0规格。由于ACPI技术正被多个操作系统和处理器架构采用，该规格的管理模式需要与时俱进。2013年10月，ACPI的推广者们一致同意将ACPI的属有归到UEFI论坛。今后新的ACPI规格将由UEFI论坛制定。ACPI定义了系统固件（BIOS或UEFI）和操作系统之间的硬件抽象接口[1][2]。

高级配置与电源接口
状态已出版
首次出版1996年12月
最新版本6.5
2022年8月
组织
有关标准UEFI
领域电源管理固件
缩写ACPI
网站uefi.org/acpi

概要

作为标准中最广为认可的部分，电源管理经历了较多的改进。

首先，高级电源管理（APM, Advanced Power Management）将电源管理几乎完全分配给BIOS控制，这大大的限制了操作系统在控制电能消耗方面的功能。

ACPI可以实现的功能包括：

  • 系统电源管理（System power management）
  • 装置电源管理（Device power management）
  • 处理器电源管理（Processor power management）
  • 装置和处理器性能管理（Device and processor performance management）
  • 配置/即插即用（Configuration/Plug and Play）
  • 系统事件（System Event）
  • 电池管理（Battery management）
  • 温度管理（Thermal management）
  • 嵌入式控制器（Embedded Controller）
  • SMBus控制器（SMBus Controller）

Windows 98是微软第一个支持ACPI的操作系统。FreeBSD v5.0是支持ACPI的第一个UNIX操作系统 [来源请求]。Linux、NetBSD和OpenBSD都支持ACPI。Windows Vista及以后的Windows要求电脑必须支持ACPI。

ACPI术语（部分）

  • 高级配置电源管理接口（Advanced Configuration and Power Interface (ACPI)）
按照在本文中的定义， ACPI是一种描述硬件接口的方法，要足够抽象以允许灵活创新的硬件实现，并且足够具体以允许shrink-wrap OS code使用这个硬件接口
  • ACPI硬件（ACPI Hardware）
它是一种电脑硬件，具有支持OSPM所必备的特性，而且还具有特定的接口，这些接口的特性是由ACPI规范所指定的描述表（Description Tables）所描述的。
  • ACPI命名空间（ACPI Namespace）
一个树状层次机构，在受操作系统控制的内存里面，这段内存里面包含命名对象（named objects）等。这些对象（objects）可以是数据对象，控制方法对象，总线/装置包对象等。操作系统通过从驻留在 ACPI BIOS 中的 ACPI Tables 加载载出（loading and/or unloading）定义块（definition blocks），来动态改变命名空间（namespace）的内容。在ACPI Namespace 中的所有资讯都来自 Differentiated System Description Table (DSDT)，DSDT 里面包含了 Differentiated Definition Block 还有一个或者多个其他的定义块（definition blocks）。
  • ACPI机器语言（ACPI Machine Language (AML)）
是一种由ACPI兼容的OS支持的虚拟机的伪代码（Pseudo-code），里面写有ACPI控制方法和控制对象。
  • 高级可编程中断控制器（Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC)）
一个中断控制器架构，通常多见于Intel32位架构（Intel Architecture-based 32-bit）的PC系统。APIC架构支持多处理器中断管理（中断均匀的分布在所有处理器），多I/O子系统支持，与8259A兼容，并且支持处理器内部中断（Inter-Processor Interrupt, IPI）。这个架构由直属于处理器的本地APICs（Local APICs）和在（南桥）晶片中的I/O APIC组成。
  • ACPI源语言（ACPI Source Language (ASL)）
一种和AML等同的编程语言。ASL编译以后就是AML镜像（AML images）。
  • 控制方法（Control Method）
控制方法定义OS如何执行一个简单的硬件任务。例如，OS调用控制方法（Control Method）去读取一个高温区的温度。控制方法是用一种叫做AML的编码语言写的，AML可以被兼容ACPI的OS所解释并执行。ACPI兼容的系统必须在ACPI table中提供一组最小的控制方法。OS提供一组well-defined 的控制方法，以使ACPI table开发者能够在他们的控制方法中引用。OEM厂商可以通过，要么Including control methods in the BIOS that test configurations and respond as needed，要么为晶片组的不同修订版包含一组不同的控制方法，来使一个BIOS能够同时支持晶片组的不同修订版。
  • 中央处理器或者处理器（Central Processing Unit (CPU) or Processor）
  • 定义区块（Definition Block）
Definition Blockl以数据和控制方法（编码成AML）的形式包含关于硬件实现和配置详细资讯。OEM厂商可以在ACPI Tables中提供一个或者多个Definition Blocks。有一个definition block是必须被提供：那就是Differentiated Definition Block，它描述了基本的系统。在装载Differentiated Definition Block之后，紧接着OS会把Differentiated Definition Block的内容插入到ACPI Namespace。OS可以动态的从the active ACPI Namespace插入和删除的其他definition blocks，可以包含指向Differentiated Definition Block的引用。
  • 装置（Device）
  • 热温区（Thermal Zone）
  • ACPI 风扇（Fan）
  • 装置上下文（Device Context）
装置中包含的变化的数据；通常是易失性（volatile）数据。当进入或者离开特定的状态（states）的时候，装置应该忘记这些资讯，在这种情况下OS软件负责保存并恢复这些资讯。装置上下文（Device Context）指的是包含在装置周边的小数量的资讯。同样可以看看系统上下文。
  • 区分系统描述表（Differentiated System Description Table (DSDT)）
OEM厂商必须为ACPI兼容的OS提供一个DSDT。这个DSDT包含区分定义块，它能提供关于基本系统的实现和配置资讯。OS总是在ACPI Namespace中插入DSDT资讯，当系统启动的时候，而且绝不会删除它。
它是一个在OS和固件平台之间的接口。
  • 嵌入式控制器（Embedded Controller）
  • 嵌入式控制器接口（Embedded Controller Interface）
  • 固件ACPI控制结构（Firmware ACPI Control Structure (FACS)）
在读写内存中的一种结构，BIOS用它来实现固件和OS之间的资讯交换（handshaking ）。通过FADT(Fixed ACPI Description Table)FACS被转到兼容ACPI的OS中。FACS包含上次启动时的系统硬件签名，firmware waking vector，和Global Lock。
  • 固定ACPI描述表（Fixed ACPI Description Table (FADT)）
一个包含ACPI 硬件寄存器块（Hardware Register Block）的实现和配置详细资讯的表，OS需要用这些配置资讯来直接管理ACPI硬件寄存器块和DSDT的物理地址，DSDT则包含其他平台的实现和配置详细资讯。 OEM厂商必须在RSDT/XSDT中提供FADT给兼容ACPI的OS。当系统启动的时候，OS则总是把已经定义好了的namespace资讯（它存在于DSDT的Differentiated Definition Block中）插入到ACPI Namespace，并且OS绝不会删除它。
  • 固定特征（Fixed Features）
ACPI接口提供的一组特征。ACPI规范限制硬件编程模型（hardware programming model）在哪产生还有如何产生的。所有的Fixed Features，如果被使用了，会按照本片规范中的描述进行实现，以使OSPM能够直接访问Fixed Features寄存器（fixed feature registers）。
  • 固定特征事件（Fixed Feature Events）
一组事件，当Fixed Feature寄存器中的一对状态和事件位（event bits）被在同一时间设定时，这组事件会在ACPI接口处发生。当一个Fixed Feature时间发生时，系统控制中断（SCI，system control interrupt）is raised。对于ACPI Fixed Feature Events来说OSPM（or an ACPI-aware driver）扮演事件的处理者。
  • 固定特征寄存器（Fixed Feature Registers）
一组在fixed feature register space中的硬件寄存器，fixed feature register space在系统I/O地址空间的特殊的地址里。ACPI为fixed features定义了寄存器块（register blocks）（每个寄存器块从FADT那里得到一个单独的指针）
  • 一般目的事件寄存器（General-Purpose Event Registers）
The general-purpose event registers contain the event programming model for generic features. All general-purpose events generate SCIs.
  • 一般特征（Generic Feature）
  • 全局系统状态（Global System States）
Global System States适用于整个系统，而且对于用户是可见的。各种不同的Global System States在ACPI规范中是从G0标记到G3的。
  • 省略位（Ignored Bits）
在ACPI硬件寄存器中的一些没有被使用的位（bits），在ACPI规范中会指定这些位是“ignored”的。在读的时候，软件会忽略ACPI硬件寄存器中的Ignored Bits位（而不去读取它），写的时候，会保护Ignored Bits（不去写这写位）。
  • Intel个人电脑架构（Intel Architecture-Personal Computer (IA-PC)）
一种对于电脑的一般描述术语，这种电脑的处理器架构符合Intel处理器家族基于Intel架构指令集（Intel Architecture instruction set）的定义，并且有工业标准（industry-standard）PC的结构。
  • I/O APIC（Input/Output Advanced Programmable Interrupt Controller）
一个输入输出高级可编程中断控制器，用来从装置传递中断给处理器里面的本地APIC（local APIC）。
  • I/O SAPIC
An Input/Output Streamlined Advanced Programmable Interrupt Controller用来从装置传递中断给处理器里面的本地APIC（local APIC）。应用于安腾处理器（Itanium）。和APIC的不同可以看看Intel® Itanium® Processor Family Interrupt Architecture Guide ，PDF文档的最后一章会讲到不同点。
  • 老式的（Legacy）
这是一种电脑状态，在这个电脑状态下电源管理策略是由平台硬件/固件决定的。在如今的系统中，传统电源管理特性被用来支持安装有传统OS的电脑中的电源管理，这种传统OS并不支持OS直接管理电源架构（OS-directed power management architecture）。
  • 老式的硬件（Legacy Hardware）
没有ACPI或者OSPM电源管理支持的电脑系统。
  • 老式的操作系统（Legacy OS）
此类的操作系统无法得知或对系统的电源管理功能做管理，包含在此类型内的如一些支持APM 1.x的操作系统。
  • 本地APIC（Local APIC）
接收来自I/O APIC的中断。
  • 本地SAPIC（Local SAPIC）
接收来自I/O SAPIC的中断。关于SAPIC，请看“I/O SAPIC”。
  • 复合APIC描述表（Multiple APIC Description Table (MADT)）
它被用在支持APIC和SAPIC的系统上，以描述APIC的实现。Following the MADT is a list of APIC/SAPIC structures that declare the APIC/SAPIC features of the machine.
  • 对象（Object）
ACPI Namespace的节点就是objects，这些objects被OS用system definition tables中的资讯插入tree。这些objects可以是数据对象（data objects），包对象（package objects），控制方法对象（control method objects）等。包对象refer to其他对象（objects）。对象同样拥有类型（type），大小（size），和相对名称（relative name）。
  • 对象名（Object name）
ACPI Namespace的一部分。有一组规则for naming objects。
  • 操作系统直接电源管理（Operating System-directed Power Management (OSPM)）
电源（和系统）管理的一个模型，在其中OS扮演重要的角色，使用全局资讯为手边的任务优化系统行为（system behavior）。
  • 包（Package）
一组objects。
  • 电源按钮（Power Button）
用户按的按钮或者其他有触点的开关（switch contact）装置，通过它可以把系统从睡眠或者soft off状态切换到工作状态，还可以给OS发送信号使OS从睡眠或者soft off状态恢复到工作状态。
  • 电源管理（Power Management）
一种最小化系统电源消耗的软硬件机制，管理系统热量限制，延长系统电池使用时间（battery life）。电源管理在系统速度，噪音，电池使用时间，处理器速度，还有电源消耗之间获取平衡。一些system functions，比如appliance (for example, answering machine, furnace control) operations，需要电源管理。
  • 电源资源（Power Resources）
装置需要的资源（比如power planes和clock sources），装置需要在给定的电源状态下对这些资源进行操作。
  • 电源来源（Power Sources）
  • 寄存器分组（Register Grouping）
由两个寄存器块组成（它有两个指向两个不同寄存器块的指针）。在寄存器分组（register grouping）内部的固定位可以被在两个寄存器块（register blocks）之间拆分。这就允许了在寄存器分组内部的位可以被在两个晶片（chips）之间拆分。
  • 保留位（Reserved Bits）
在ACPI硬件寄存器中有一些没有被使用的位，在ACPI规范中被称为保留位。为了未来能够扩展，硬件寄存器保留位总是被归零，并且写入的数据不会造成其他的影响。OSPM的实现必须往所有使能和状态寄存器的保留位写“0”，同样还要往控制寄存器（control registers）的preserve bits写“0”
  • 根系统描述指针（Root System Description Pointer (RSDP)）
兼容ACPI的系统必须在系统低地址空间（system’s low address space）提供一个RSDP。这种结构的唯一目的就是提供RSDT和XSDT的物理地址。
  • 根系统描述表（Root System Description Table (RSDT)）
signature为RSDT的table，它跟随在一组指向其他系统描述表（system description tables）的物理指针之后。OS通过跟随RSDP结构中的指针来定位RSDT。

状态

全局状态（Global System States，G-State）

ACPI规范定义了一台兼容ACPI的电脑系统可以有以下七个状态（所谓的全局状态）：

  • G0(S0)正常工作状态：电脑的正常工作状态-操作系统和应用程式都在运行。CPU执行指令。 在这个状态下(即没有进入G1睡眠)，CPU、硬盘、光碟机等装置可以进入节能状态（如装置和处理器性能状态P-State、装置电源状态D-State、处理器电源状态C-State）或从节能状态恢复。
  • G1 睡眠 细分为从S0ix到S4等几种状态。Linux内核的/sys/power/state文件中对应的关键字与状态: standby(S1), mem(S3), disk(S4)。在Windows中可用powercfg /a命令行出平台支持的ACPI G1状态。
    • S0ix：Modern Standby。只有BIOS、操作系统和所有的硬件都支持S0ix才能使用Modern Standby[3]。S0ix与S3不兼容。
    • S1：最耗电的睡眠模式。CPU的所有寄存器被刷新，并且CPU停止执行指令。CPU和内存的电源被维持。这种模式通常叫Power on Suspend或者叫做POS。老式的电脑对S1支持可能比S3好。
    • S2：一种比S1更深的睡眠状态，停止CPU的电源供应。然而，这种模式通常并不被采用。
    • S3 ：又称为Suspend to RAM或STR，在Windows XP以后的Windows版本和一些Linux发行版中叫做"待机(Standby)"， 在Windows Vista和Mac OS X则叫做"睡眠(Sleep)"。在这个状态下，RAM是唯一的有电源供应的组件。S3的恢复的过程比S4快。如果S3睡眠过程中断电，则所有存储在RAM中的资料将丢失。S3是手提电脑最常用的睡眠模式。
    • S4： 在Windows中叫休眠 ，在Mac OS X中叫作安全睡眠，也称为Suspend to Disk。在这个状态下，所有内存的内容被储存在硬盘，存储操作系统当前的状态。S4和S3之间的差异是：S4消耗的时间较S3长；S3状态下的时候如果系统断电，则所有RAM上的数据就会丢失，包括所有的没有保存的文档，而在S4状态下则没有影响。S4和"S1-S3"状态有很大不同，更类似G2Soft Off状态和G3 Mechanical Off状态。在S4状态下的系统同样可进入G3(Mechanical Off)状态，并且保留S4时候的状态资讯。在Windows中可用powercfg命令的/h开关设置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几乎是相同的，但有些部件仍然带电，使电脑仍然可以被键盘、时钟（RTC）、调制解调器、LAN、USB等装置所唤醒。[4]在启动系统从G2恢复到G0正常工作模式的过程中，无论是G3 Mechanical Off还是G2都得运行启动程序来启动操作系统。

此外，当操作系统在不支持ACPI的情况下运行，这种状态被定义为Legacy。在这个状态下，硬件和电源不是通过ACPI来管理的，而是由高级电源管理（APM）、旧式即插即用（Legacy Plug and Play）等管理。

  • G3（S6）Mechanical Off--G3，S6，和Mechanical Off都是相同的叫法。即全部件断电，在这种情况下只能从开机键唤醒。

（参考资料：ACPI规范3.0b版的链接在下面 External links, 查看chapter 7.3.4)

装置电源状态(Device Power State)

当一个装置已没有电源供应的时候，可能整个电脑系统还在工作，光驱是一个很好的例子。 装置状态是与装置相关的状态，他们的定义和以下四个因素有关：

电源消耗（Power consumption），装置用电量的多少。

装置状态/环境（Device context），装置（从D0进入其他状态的时候）保留了多少原来的状态/环境。操作系统负责保存丢失的装置状态/环境。

装置驱动（Device driver），让装置恢复到D0，驱动程式应该做什么（或者做多少）。

装置状态有以下几个：

  • D0 Fully-On 是（正常）工作状态，电源消耗量最多，装置是完全被响应的，并且装置保留了全部的装置状态/环境。
  • D1 和 D2是中间电源状态，它的定义根据装置的不同而有所不同。
  • D3 Off是装置电源关闭所以对总线来说是没有相应的。装置状态/环境全部丢失，操作系统会重新初始化装置当重新给它加电的时候。这个状态下的装置恢复到D0相比之下需要最长的时间。


装置状态总结
装置状态 电源消耗 保留装置状态资讯 驱动程式恢复
D1 D0>D1>D2>D3 >D2 <D2
D2 D0>D1>D2>D3 <D1 >D1
D3 - Off 0 没有保留 完全初始化并且装载

处理器电源状态(Processor Power State)

处理器电源状态（C0，C1，C2，C3……Cn状态）是指在G0状态下的处理器电能消耗和温度管理的状态。

只有C0状态下CPU才会执行指令，C1到Cn状态下CPU都处于各种不同程度的睡眠状态（Sleeping States），在这睡眠状态下，CPU都有一个恢复到C0的唤醒时间（latency），它是和CPU的电能消耗有关的，通常，用电能量越小意味着得花更长的时间恢复到C0状态，也就是唤醒时间越长。

当在C0状态下时，ACPI可以通过性能状态（P-states）来改变处理器的性能。

各个状态的定义如下所示：

  • C0是正常工作状态，当处理器处于这种状态下的时候，它能正常处理指令。
  • C1（通常称为Halt），拥有最短的唤醒时间，这个延时必须短到操作系统软件使用CPU的时候不会考虑到唤醒时间方面的因素。一些处理器，比如Pentium 4、酷睿，支持C1E（Enhanced C1 state）。
  • C2 (通常称为Stop-Clock)，这个状态下处理器维持着所有的软件所见的状态资讯，但是需要更长的时间来恢复到C0。这个状态下情况最坏的硬件唤醒时间是由ACPI固件提供，并且操作系统可以利用这些资讯来决定是采用C1而不是C2状态，C2比C1更省电。
  • C3 (通常称为Sleep)，相比C1和C2更省电了。这个状态下情况最坏的硬件唤醒时间是由ACPI固件提供，并且操作系统可以利用这些资讯来决定是采用C2而不是C3状态，当处于C3状态时，处理器缓存保留了所有的状态资讯，但是忽略所有的侦听。操作系统负责保证缓存数据的一致性。
  • 附加的C-State由处理器厂商来定义，如Intel Haswell处理器最多有C10。

装置和处理器性能状态（Device and Processor Performance States）

装置和处理器性能状态（Px状态）是在C0（对于处理器）和D0（对于装置）下定义的电源消耗和能力的状态。性能状态允许OSPM在性能和能源消耗之间获取平衡。P0是最高性能状态，从P1到Pn是连续的低性能状态，最高限制n为16。

  • P0状态，使用最大性能并且消耗的电能最多。
  • P1状态，性能比前者要小，但是消耗电能也相应少一些。
  • Pn状态，n是的大小是依赖于处理器和装置的，处理器和装置可以定一个任意的不超过16的数字。

这个状态在Intel处理器中称为SpeedStep，在AMD处理器中称为PowerNow!、Cool'n'Quiet，在VIA处理器中称为PowerSaver。

参见

参考文献

  1. ^ What is ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)? - Definition from WhatIs.com. SearchWindowsServer. [2020-09-18]. （原始内容存档于2019-05-15） （英语）. 
  2. ^ ACPI Device Tree - Representation of ACPI Namespace — The Linux Kernel documentation. www.kernel.org. [2020-09-18]. （原始内容存档于2020-08-05）. 
  3. ^ 新式待命. docs.microsoft.com. [2020-03-20]. （原始内容存档于2022-04-23） （中文（繁体））. 
  4. ^ Aram Kananov » How To: ACPI Suspend to RAM on Dell Latitude D800 with Fedora Core 3 互联网档案馆的存档，存档日期2008-10-02.

外部链接

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