CPU C-states.doc

曹操曾經(jīng)說過：烈士多悲心，小人偷自閑。真的自閑就真成小人了么？小編我并不覺得清閑是一件壞事。為了讓處理器處于閑置狀態(tài)時能夠節(jié)約能源，處理器可以給系統(tǒng)發(fā)出一條指令，讓自己進入到低功耗的節(jié)能模式。每個處理器都具有多種節(jié)能模式，他們被稱作C-states或者C-modes（節(jié)能形態(tài)或節(jié)能模式）。在這篇文章中，各位讀者可以了解到處理器的各種節(jié)能模式的技術(shù)特點以及實現(xiàn)方法，還有各種處理器所支持的節(jié)能模式詳解。希望閱讀完此文，大家就能對處理器的節(jié)能模式有一個比較全面的了解。 追溯歷史，低功耗模式被首次引入處理器中，還是在486DX4處理器。因此現(xiàn)在我們在市面上聽到的各種處理器的節(jié)能模式，并不是什么新技術(shù)，早在 486時期就已經(jīng)出現(xiàn)了。然而，隨著時間的推移，處理器中出現(xiàn)了更多的低功耗模式，并且每個新的低功耗模式都較上一代更為先進，都可以讓處理器在空閑的時候，更加的省電節(jié)能。 節(jié)能模式基本的概念就是當處理器處于閑置的時候，降低時鐘頻率，降低電壓，甚至完全關(guān)閉它，同時還可以對處理器進行“喚醒”，讓它再次回到100%的工作狀態(tài)。由此就完成了從睡眠到喚醒的過程。 處理器的運行模式都被統(tǒng)稱為C-states。他們最初的規(guī)格編號是C0，這也是處理器最為正常的運行模式。此時處理器的運行效能是100%。當然在C0以上的各種模式，就均屬于節(jié)電模式，當后面的數(shù)字越高處理器的電路和信號被關(guān)掉的部分也就越多。例如，C1、C2等等。艙處理器被喚醒時，他也就又回到了C0模式。 不過這還存在一個問題，處理器從睡眠到喚醒需要較長的時間，處理器睡眠越深，所關(guān)閉的電路和降低的電壓就越多，甚至是完全關(guān)閉。那么這就意味著，處理器要花更長的時間醒來。 每個節(jié)能模式會有若干個名字，因為他們還會有許多的子模式，這些子模式會更為細致的劃分處理器睡眠的深度，因此他們在喚醒的時候所需的時間也不盡相同。C形態(tài)：處理器節(jié)電模式總表 下面我們將用一張碩大的表格羅列出所有處理器普遍可用的C-states節(jié)電狀態(tài)。例如，C1到C3模式，都可以切斷時鐘信號，而C4至C6模式可以降低處理器的電壓。這些模式只要在BIOS中設(shè)置為開啟即可。模式形態(tài)含義支持的處理器C0Operating State處理器全速正常運行All CPUsC1Halt通過軟件停止處理器內(nèi)部的時鐘，而總線接口單元和APIC仍然保持全速運行。486DX4以上C1EEnhanced Halt通過軟件停止處理器內(nèi)部的時鐘，可以降低處理器電壓，而總線接口單元和APIC仍然保持全速運行。所有socket 775處理器C1E停止所有處理器的內(nèi)部時鐘。Turion 64，65nm的Athlon X2和Phenom處理器C2Stop Grant通過硬件停止處理器內(nèi)部的時鐘，而總線接口單元和APIC仍然保持全速運行。486DX4以上C2Stop Clock通過硬件停止處理器內(nèi)部和外部時鐘。僅有486DX4，Pentium，Pentium MMX，K5，K6，K6-2，K6-III支持C2EExtended Stop Grant通過硬件停止處理器內(nèi)部主時鐘，降低處理器電壓，而總線接口單元和APIC仍然保持全速運行。Core 2 Duo以上(僅Intel處理器支持)C3Sleep停止所有處理器內(nèi)部時鐘。Pentium II，Athlon以上支持，但是Core 2 Duo E4000和E6000并不支持C3Deep Sleep停止所有處理器內(nèi)部和外部時鐘。Pentium II以上支持，但是Core 2 Duo E4000、E6000和Turion 64并不支持C3AltVID停止所有處理器內(nèi)部時鐘并且降低處理器電壓。AMD Turion 64C4Deeper Sleep降低處理器電壓Pentium M以上支持，但是Core 2 Duo E4000、E6000和Turion 64并不支持C4E/C5Enhanced Deeper Sleep大幅降低處理器電壓并且關(guān)閉處理器緩存Core Solo，Core Duo和45nm移動版Core 2 Duo支持C6Deep Power Down降低處理器電壓，電壓可以降低到0V僅45nm的移動版Core 2 Duo支持C1形態(tài)：486DX4時代的技術(shù) 在所有的x86處理器中，有一條指令叫做“HLT”代表Halt這個英文單詞，是暫停的意思。其中處理器會理解為“停下來吧”的意思。此時處理器會啥都不做，用中斷推遲它受到的信息包，處理器會發(fā)出一個硬件信號，告訴系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備，稍等片刻。 由于處理器在暫停模式下會完全閑置，那么Intel決定在這個時候降低處理器的功耗，因此為處理器增加了“暫停”和“自動暫?！蹦Ｊ健＿@就是最為古老的第一代處理器節(jié)能技術(shù)C1形態(tài)。從486DX4處理器開始，此后所有的處理器都支持這一節(jié)能技術(shù)。另外SL版本的468DX2處理器也支持這項技術(shù)。 當計算機程序運行一條HLT指令的時候，處理器就會進入傳統(tǒng)的暫停模式。內(nèi)部的時鐘信號停止下來了。在收到中斷指令后，處理器又可以回到正常運作形態(tài)，同時時鐘信號也恢復正常。 處理器內(nèi)部有2個單元可以提供CPU內(nèi)部時鐘，總線接口單元和APCI高級可編程中斷控制器。通過他們，處理器可以接收到來自外部總線的信息，中斷暫停形態(tài)蘇醒過來。 由于處理器內(nèi)部的信號被切斷了，幾乎處理器內(nèi)部所有的單元都停止了運作，這樣就大幅降低了處理器的功耗。 追溯歷史，早在8086處理器時代就已經(jīng)出現(xiàn)了HLT，不過真正能應用這條指令的是468DX4。此后HLT也成為了后續(xù)處理器都支持的一項最為基本的低功耗狀態(tài)。 如上所述，處理器之所以可以從C1形態(tài)中醒來，最為重要的是通過處理器外部總線所發(fā)來的一個中斷請求。在處理器從暫停到完全醒來需要一定的時間，此時的形態(tài)有很多種名稱：Stop Clock Snoop State，HALT/Grant Snoop State或者稱作Snoop State。在這期間，處理器的時鐘是在慢慢的恢復中。然后處理器就又可以接受進入暫停模式的指令。 所有基于Socket 775的處理器，如Pentium 4，Core 2 Duo和其他更高級的處理器都支持暫停形態(tài)，同時還支持更為高級的增強型暫停形態(tài)，如P4處理器。Core 2 Duo更擴展出了C1E模式，它同時也可以降低處理器的電壓，停止內(nèi)部時鐘。如果你在主板的BIOS中開啟這些模式，那么處理器在收到HTL指令時，就可以進入該模式。 Core 2 Duo處理器也支持擴展暫停監(jiān)聽形態(tài)，使得處理器可以進入C1E或C2E形態(tài)，當處理器收到了來自外部總線的請求，可以從睡眠中醒來，不過處理器可以繼續(xù)保持較低的電壓。 支持注意的是AMD公司也有一個C1E形態(tài)，不過所指代的意義卻完全不同。他們采用65nm制造工藝技術(shù)的Athlon X2和Phenom，它與C3形態(tài)類似，可以關(guān)閉所有處理器的時鐘。當在BIOS設(shè)置好開啟C1E形態(tài)后，就可以節(jié)約能耗了。AMD的C1E和C3形態(tài)之間的差別就在于進入睡眠狀態(tài)。處理器要進入C3形態(tài)，必須通過操作系統(tǒng)發(fā)出指令才能執(zhí)行。而AMD的C1E形態(tài)則是處理器自動執(zhí)行的，當處理器所有處理核心都進入到C1形態(tài)時，整個處理器會自動進入到C1E形態(tài)。C2形態(tài)：專用功耗控制引腳 在468DX4中也引入了C2形態(tài)，處理器特別適用了一個叫做“STPCLK”的引腳來實現(xiàn)停止時鐘。當這個引腳被激活的時候，處理器的核心時鐘就會被關(guān)閉。 你可以看到C2與C1形態(tài)有些類似，它們都能切斷處理器的核心時鐘。不同的地方在于如何實現(xiàn)的，C1形態(tài)是通過軟件來實現(xiàn)的，向處理器發(fā)出一個HLT指令。而C2則是通過硬件來實現(xiàn)的，通過一個處理器的引腳控制開啟或關(guān)閉。 當處理器進入C1形態(tài)的時候，處理器內(nèi)部時鐘并不會完全停止，而當處理器進入到C2形態(tài)時也有類似的情況，處理器中的總線界面接口，和APIC單元仍然保持著處理器內(nèi)部時鐘頻率在運行著。這樣做的好處就是處理器可以接受來自外部總線的信號，可以從睡眠形態(tài)中醒來。 由于處理器內(nèi)部所有單元的時鐘信號幾乎完全暫停，因此處理器停止了工作，這將會大幅減少能耗。 在C2形態(tài)中，還有2個子模式。Stop Grant和Stop Clock。Stop Grant形態(tài)，如上所說，利用一根處理器的引腳來控制開啟和關(guān)閉。雖然處理器的核心時鐘都已經(jīng)關(guān)閉，但是PLL器時鐘發(fā)生器芯片仍然在全速運行。因為它仍然需要工作，產(chǎn)生外部的總線時鐘和處理器的外部時鐘。 486DX4，Pentium，Pentium MMX，K5，K6，K6-2和K6-III處理器都支持更深一級的睡眠技術(shù)Stop Clock。它可以進一步關(guān)閉時鐘發(fā)生器芯片，因此外部時鐘信號也將會被關(guān)閉?？梢韵胂筮@將會更加省電。當前的處理器已經(jīng)不支持C2形態(tài)了，轉(zhuǎn)而支持更深度的C3形態(tài)。后面我們會有更詳細的介紹。 類似C1形態(tài)，C2形態(tài)的另一種被稱作允許停止形態(tài)，對它的控制來自于處理器的外部總線。此時處理器處在一種叫做：停止時鐘窺探狀態(tài)，或者叫做暫停窺探狀態(tài)，或叫做簡單窺探狀態(tài)。在這期間，處理器處于最小的功耗狀態(tài)運行任務。當處理器完成任務請求的時候，它會自動進入C2狀態(tài)。 而Core 2 Duo處理器則具備更為高級的允許停止形態(tài)，叫做：增強型允許停止形態(tài)，或稱作C2E形態(tài)，它可以同時停止處理器的內(nèi)部時鐘，降低處理器的電壓。如果你可以在主板的BIOS中開啟這個模式，那么當處理器進入到傳統(tǒng)的C2模式時，就會通過STPCLK引腳被激活為C2E形態(tài)。否則，處理器僅僅會進入到標準的C2形態(tài)。 同時它可以支持更高級的增強型允許停止形態(tài)（Extended Halt/Stop Grant Snoop state）。當處理器的外部總線發(fā)出請求，它允許處理器暫時退出C1E或C2E形態(tài)，以較低的電壓來代替額定電壓運行任務。C3形態(tài)：傳說中的深度睡眠 C3形態(tài)，就是我們眾所周知的深度睡眠形態(tài)。第一款支持C3形態(tài)的是Intel的Pentium II處理器。而AMD方面第一款支持C3的是Athlon處理器。有趣的是某些65nm的Core 2 Duo處理器并不支持它。例如E4000和E6000系列處理器。但是這些處理器卻支持它的擴展子集C1E和C2E。此后C3形態(tài)最終在45nm的 Core 2 Duo處理器中回歸。E7000和E8000系列均有所支持。 如上文所說，C1和C2形態(tài)都可以停止處理器的內(nèi)部時鐘，幾乎切斷處理器內(nèi)所有單元的時鐘。當這些單元停止時，處理器的功耗自然大幅減少。盡管如此，在這種狀態(tài)下，處理器總還是會有某些單元保持運行，如總線界面單元和APIC單元。它們必須運行，通過它們才能與處理器的外部總線保持聯(lián)絡，處理器才可能會喚醒。 隨著技術(shù)的革新，在C3狀態(tài)中，可以切斷處理器內(nèi)所有的時鐘信號。包括上文提到的總線界面單元和APIC單元。這就意味著處理器處于一種深度睡眠模式，處理器睡的很深，再也不能通過外部總線來中斷睡眠，喚醒處理器了。 Intel的處理器和AMD的Turion 64處理器都支持一種C3形態(tài)的子模式：深度睡眠。處理器的外部時鐘也會停止下來，這樣可以更加節(jié)省功耗。 處理器是否能進入C3狀態(tài)要取決于硬件制造商。Intel為處理器額外增加了引腳來控制。這個引腳叫做SLP，或者有人也稱它為DPSLP。首先處理器要進入C2形態(tài)，才能進一步觸發(fā)C3形態(tài)。也就是說，目前負責處理器進入低功耗形態(tài)，就有了2個針腳。首先處理器要通過STPCLK針腳，進入到C2 形態(tài)。然后再通過SLP針腳激活C3形態(tài)。進入到C3模式其實非常簡單，僅僅是處理器的外部時鐘型號被進一步切斷而已。 而在AMD的處理器中，方法就來的比較直接。在處理器中有兩個寄存器PLVL_2和PLVL_3，它們分別對應的是C2和C3形態(tài)。如果一個程序讀取PLVL_2寄存器，那么處理器就會觸發(fā)STPCLK針腳進入C2形態(tài)。如果程序讀取PLVL_3寄存器，那么就會觸發(fā)STPCLK針腳引入到C3形態(tài)。 AMD移動版處理器Turion 64還支持C3的子集，叫做AltVID，它允許處理器進入C3模式時，同時降低處理器的電壓。 不要忘記，Turion 64，65nm的Athlon X2和Phenom處理器也支持C1E模式，此C1E非彼C1E，與Intel的無關(guān)。它支持的節(jié)能技術(shù)，基本上與C3相類似。AMD的C1E和C3形態(tài)基本上都是處理器進入到深度睡眠。不同點在于，C3形態(tài)是需要通過應用程序指令或者操作系統(tǒng)指令來觸發(fā)的。而C1E則是處理器所有核心都處于C1形態(tài)時，會自動進入C1E形態(tài)。C4形態(tài)：絕對不是炸彈 上述幾種處理器低功耗形態(tài)，無論是C1、C2還是C3基本上都是在處理器的時鐘信號方面做文章。C3的所有模式都可以完全切斷處理器內(nèi)部的時鐘信號。但是僅僅切斷時鐘信號，是不足以進一步降低處理器的功耗。由此處理器的研發(fā)人員們，又盤算著下一代節(jié)能技術(shù)要進一步降低處理器的電壓。我們知道處理器的電壓與功耗之間成正比。（P=V*I）如果我們能進一步降低處理器的電壓，也就可以大幅降低處理器的功耗了。 第一個可以降低處理器的形態(tài)被稱作C4或者超深度睡眠形態(tài)。第一款支持這項技術(shù)的處理器產(chǎn)品是Intel的Pentium M處理器。它的市場定位就是移動領(lǐng)域市場，低功耗和最大限度的延長電池壽命。這種模式也在最初的Core Solo單核酷睿，Core Duo雙核酷睿處理器中可見。其中的Core Duo其實就是雙核心版本的Pentium M處理器。目前所有移動領(lǐng)域和桌面領(lǐng)域的Core 2 Duo處理器7、8系列的都可以支持這一模式。換句話說Intel的45nm制造工藝技術(shù)的處理器，都可以支持這項技術(shù)。但是桌面版的Core 2 Duo處理器由于生產(chǎn)時間較早，尤其是65nm的4、6系列卻不支持這項技術(shù)。同時AMD的Turion 64移動處理器也可以很好的支持C4形態(tài)。 超深度睡眠時需要從深度睡眠形態(tài)激活而來。例如，處理器要首先進入到深度睡眠形態(tài)（C3），此后在通過處理器中的DPRSTP引腳來激活C4形態(tài)，進一步降低處理器的電壓。 下面我舉一些真實的例子，來說明C4形態(tài)是如何降低能耗的。Intel Core 2 Extreme X9100移動版處理器，采用C0步進，當它全速工作的時候，最大電流為59A。當處理器進入到C4形態(tài)時，電流驟然降低到12.2A，也就是說C4形態(tài)可以降低79.32%的功耗。Intel Core 2 Duo T9400和T9600移動版處理器，最大電流為47A，開啟C4形態(tài)時，電流為11.7A，處理器節(jié)能75.11%，確實非常之驚人。 Core Solo和Core Duo，他們都是Pentium M的雙核心版本，面向移動市場，研發(fā)代號為Yonah。采用45nm制造工藝技術(shù)的Core 2 Duo處理器，8、9系和7350都可以支持另外一種C4形態(tài)。它被稱作增強型超深度睡眠，又名C4E。它除了允許降低處理器的電壓之外，還可以進一步關(guān)閉處理器的L2高速緩存。需要指出的是，這個模式除了上述提到的處理器以外，其它均不可用。在業(yè)界，也有人戲稱它為C5形態(tài)，不過我們都知道，它并不是真正意義上的C5。 讓我們舉一些實際的例子，來看看C4E形態(tài)究竟能怎樣節(jié)能。Intel Core 2 Extreme X9100移動版處理器，采用C0步進，當它全速工作的時候，最大電流為59A。當處理器進入到C4E形態(tài)時，電流驟然降低到11.7A，也就是說C4形態(tài)可以降低80.17%的功耗。Intel Core 2 Duo T9400和T9600移動版處理器，最大電流為47A，開啟C4E形態(tài)時，電流為10.5A，處理器節(jié)能77.66%，對比C4模式，C4E的節(jié)電效果更加驚人。小熊在線C6形態(tài)：完全關(guān)閉處理器 C6形態(tài)是最新的處理器節(jié)電技術(shù)，目前45nn的Core 2 Duo移動版處理器才支持這一技術(shù)。例如編號為8、9系列和7350的處理器均支持。同時最為重要的是，采用45nm制造工藝技術(shù)的桌面處理器也可以支持這項深度斷電技術(shù)。 當處理器進入到C6形態(tài)時，它允許大幅降低處理器的電壓，包括降低到0V。也就是說此時的處理器處于一種完全被關(guān)閉的狀態(tài)。這是因為處理器內(nèi)部帶有一個特別的靜態(tài)存儲單元。當處理器進入到C6形態(tài)時，會將處理器的所有配置都寫入這個靜態(tài)存儲單元，當處理器從C6模式被喚醒的時候，所有的內(nèi)部單元又會從這個特別靜態(tài)存儲單元內(nèi)讀取配置信息。因此當處理器被喚醒時，它以前所作的工作都不會丟失。由此我們可以更快的關(guān)閉計算機，也能更快的在開機時載入操作系統(tǒng)。 需要注意的是，這里指的電壓，僅僅是一顆處理器的電壓，唯一一處不同電壓就是那個特殊的靜態(tài)存儲單元。如果你想要關(guān)閉一顆處理器時，你必須讓它完全進入到C6形態(tài)。 Intel即將發(fā)布的Core i7處理器，研發(fā)代號Nehalem，它將會內(nèi)嵌一個電源控制單元，它將是一個獨立于處理器的單元，可以降低處理器的電壓，甚至是完全關(guān)閉處理器。舉例來說，如果一個處理器的核心處于閑置狀態(tài)，它將能夠關(guān)閉其中一個核心，讓它處于C6形態(tài)。若是以前的45nm移動版Core 2 Duo，并不具備這樣更加先進而靈活的功耗管理功能。小熊在線 Nehalem的功耗管理另一項突破就是超快的切換速度。集成在處理器內(nèi)部的功耗管理單元可以快速的發(fā)出“開啟核心/關(guān)閉核心”的信號。一旦處理核心處于空閑，功耗管理單元就會立刻將之關(guān)閉。其開啟和關(guān)閉的切換速度在百萬分之一秒。 為了進入到C6形態(tài)，處理器必須先進入到C4形態(tài)，此后再切換到C6形態(tài)。還是讓我們舉一些例子，來看看C6形態(tài)能有多強的節(jié)電效果。Intel Core 2 Extreme X9100移動版處理器，采用C0步進，當它全速工作的時候，最大電流為59A。當處理器進入到C6形態(tài)