- ACPI
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Das Advanced Configuration and Power Management Interface (ACPI) ist ein offener Industriestandard für Energieverwaltung in Desktop-Computern, Notebooks und Servern. Er wird federführend von den Unternehmen Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, Phoenix und Toshiba entwickelt und stellt Schnittstellen zur Hardwareerkennung, Gerätekonfiguration und zum Energiemanagement zur Verfügung.
Insbesondere bekannt ist er durch den Energiesparmodus in den verschiedenen Modi ACPI-S1 bis S5, die das Advanced Power Management (APM) abgelöst haben.
Grundlagen
Die Kontrolle über das Energiemanagement liegt beim ACPI, anders als beim älteren APM-Standard, komplett beim Betriebssystem, das einen besseren Überblick über den momentanen Leistungsbedarf und die Sparmöglichkeiten in einem Rechner hat als das hardwareorientierte BIOS. Mit ACPI ist das BIOS des Rechners nur noch für die Details der Kommunikation mit der Hardware verantwortlich, die Kontrolle liegt aber beim Betriebssystem. Gegenüber APM werden weitergehende Möglichkeiten zum Energiesparen angeboten.
ACPI 1.0 wurde 1996 veröffentlicht. Mit der Version 2.0 wurde Juli 2000 Unterstützung für 64-Bit-Architekturen hinzugefügt. Die aktuelle Version 3.0 vom 2. September 2004 wurde um die Unterstützung für PCI-Express und Serial ATA sowie erweiterte SMP-Fähigkeiten ergänzt und auf Grund von Erfahrungen aus der Praxis mit den Implementierungen an einigen Stellen klarer gefasst.
Von Intel existiert eine ACPI-Referenzimplementierung mit Namen ACPICA (ACPI Component Architecture), die in leicht angepasster Form unter anderem im Linux-Kernel und den BSD-Derivaten verwendet wird. Die ACPICA implementiert betriebssystemunabhängige Teile der ACPI-Software, hier vor allem den AML-Interpreter, der die von der Hardware bereitgestellten ACPI-Tabellen parst.
ACPI funktioniert nicht auf älterer Hardware. Für volle ACPI-Unterstützung müssen sowohl die Hauptplatine mit ihrem Chipsatz, Timer und BIOS als auch das Betriebssystem und teilweise auch die CPU ACPI-fähig sein. Des Weiteren wird ein Netzteil nach ATX 2.01 oder neuer benötigt.
Die Hardware kann über den System Control Interrupt (SCI) bestimmte Ereignisse an das Betriebssystem signalisieren. Dazu können beispielsweise das Umschalten von Batterie- auf Netzstromversorgung oder das Aufwachen aus dem Energiesparmodus gehören.
Powermanagement – Energiesparmodi nach ACPI-Standard
Die Möglichkeiten, unter Verwendung von ACPI Energie zu sparen, sind vielfältig.
Der gesamte Rechner kann sich in einem von vier Zuständen befinden, die in der ACPI-Spezifikation G0 bis G3 genannt werden. G0 Working entspricht dabei dem „aktiven“ Zustand, in dem mit dem Computer gearbeitet werden kann, und G3 Mechanical off, also „mechanisch abgeschaltet“, ist ein Rechner mit gezogenem Stecker. Dazwischen liegt der Schlafzustand G1, in dem große Teile des Rechners abgeschaltet sind, aber aus dem dennoch in kurzer Zeit in den aktiven Zustand zurückgekehrt werden kann, und der „Soft-Off“-Zustand G2, der einem Computer auf ATX-Standby-Spannung entspricht.
Innerhalb von G1 kann das System unterschiedlich „tief“ schlafen (S1 bis S4). In den niedrigen Schlafzuständen wird mehr Systemkontext in den schnellen flüchtigen Speichern behalten, so dass das System schneller wieder benutzbar ist. Vor Eintritt in den S4-Zustand wird der Systemkontext auf eine Festplatte geschrieben und beim Aufwachen von dort wiederhergestellt.
Der ACPI-Standard erlaubt folgende Modi:
Ruhezustände in der Übersicht Ruhezustand Beschreibung S0 System voll funktionsfähig. Alle Systeme sofort einsatzbereit. S1 einfachster Schlafmodus; wenige Funktionen sind abgeschaltet, die CPU ist angehalten (Throttle) S2 erweiterter Schlafmodus. Weitere Komponenten sind abgeschaltet, insbesondere der Cache der CPU S3 Standby-Modus (Suspend to RAM, STR, Suspend to memory, STM) – die meiste Hardware des Motherboards ist abgeschaltet, der Betriebszustand auf einem flüchtigen Speicher gesichert S4 Ruhezustand (Hibernation, Suspend to disk, STD) – der Betriebszustand ist auf einem nicht-flüchtigen Speicher gesichert S5 Soft-Off-Modus, System ist quasi ausgeschaltet, aber das Netzteil liefert Spannung, und das System kann mit einem mechanischem Taster („Einschaltknopf“), der am Mainboard angeschlossen ist, oder – je nach Modell und BIOS-Setup – auch über die Netzwerkschnittstelle wieder aktiviert werden Einzelne Geräte im System können sich in den Zuständen D0 (an) bis D3 (aus) befinden. Wieviel Energie in den beiden dazwischen liegenden Zuständen gespart wird und ob diese überhaupt für ein Gerät zur Verfügung stehen, liegt im Ermessen des Hardwareherstellers.
Prozessoren können sich innerhalb des G0-Zustands in verschiedenen Unterzuständen befinden. C0 ist dabei der „Arbeitszustand“. Jeder ACPI-fähige Prozessor beherrscht darüber hinaus den C1-Zustand, der aktiviert wird, wenn der Prozessor leerläuft. Dabei wird dem Prozessor die hlt-Instruktion gesendet. Sobald ein Interrupt anliegt, wacht er wieder auf. Besonders Mobilprozessoren kennen darüber hinaus noch die stärkeren Sparzustände C2, C3 oder noch höher, bei denen das Aufwachen zunehmend länger dauert (bei C3 meist bereits so viel, dass es sich nicht lohnt, diesen Zustand einzusteuern, da der Weg zurück nach C0 zuviel Zeit benötigt). In den C-Zuständen geht es zunächst nur um leerlaufende Prozessoren. Darüber hinaus können viele moderne CPUs bei wenig Arbeitsaufkommen in C0-Takt und Kernspannung mehrstufig drosseln. Von diesen „Performance States“ (P-States) kann es beliebig viele geben. Das Betriebssystem muss entscheiden, wie stark es den Prozessor bei niedrigem Arbeitsaufkommen drosselt, ohne dass eine Rückkehr zur höchsten Taktstufe P0 unangemessen lange dauert.
Systembeschreibungs-Tabellen, AML, ASL
BIOS und Chipsatz stellen eine Reihe von Tabellen zur Verfügung, die das System und seine Komponenten beschreiben oder Routinen anbieten, die das Betriebssystem aufrufen kann. Sie sind teilweise in Form eines speziellen Bytecodes, der ACPI Machine Language (AML), hinterlegt. Sie können mit einem Compiler und einem Disassembler zwischen dieser maschinenlesbaren Form und der menschenlesbaren ACPI Source Language (ASL) übersetzt werden. Die benötigten Softwarewerkzeuge werden kostenlos zum Download von Intel oder Microsoft angeboten, so dass es für Menschen mit ASL-Kenntnissen möglich ist, fehlerhafte Tabellen, hier vor allem die DSDT (Differentiated System Description Table) selbst zu reparieren.
Fehlerhafte Tabellen führen besonders unter alternativen Betriebssystem wie Linux oder xBSD zu Problemen, da einige Hauptplatinenhersteller ihre Tabellen nur unter Microsoft Windows testen. Die Microsoft-ACPI-Implementierung ist dafür bekannt, an einigen Stellen nicht zeichengetreu den Standard zu befolgen, so dass eventuelle Probleme den Herstellern nicht auffallen. Die zwei häufigsten Fehler sind, dass die Tabellen davon ausgehen, dass die Hauptplatine in jedem Fall nur unter Microsoft Windows laufen wird oder sie in bestimmten Funktionen keinen Wert zurückgeben (impliziter Return). Die ACPI-Implementierungen der freien Betriebssysteme müssen um diese Fehler herumarbeiten.
Folgende Tabellen existieren unter anderem:
- RSDP (Root System Description Pointer)
- RSDT (Root System Description Table)
- DSDT (Differentiated System Description Table)
- XSDT (Extended System Description Table)
- FADT (Fixed ACPI Description Table)
- FACS (Firmware ACPI Control Structure)
- SBST (Smart Battery Table)
- ECDT (Embedded Controller Boot Resources Table)
- SRAT (System Resource Affinity Table)
- SLIT (System Locality Distance Information Table)
Tabellenbeschreibungen
Die Systembeschreibungstabellen sind eine hierarchisch aufgebaute Struktur, die aus mehreren Untertabellen besteht.
RSDP (Root System Description Pointer)
Diese Tabelle enthält einen Zeiger auf die weiteren Tabellen und wird vom Mainboard innerhalb des ersten Megabytes des Arbeitsspeichers abgelegt. Der ACPI-Treiber des Betriebssystem sucht den Speicher nach der „magischen“ Zeichenkette „RSD PTR“ ab und erhält so die Adresse des RSDP und der weiteren Tabellen. Bei Rechnern mit EFI steht der RSDP im EFI und das Durchsuchen des Arbeitsspeichers ist nicht nötig.
RSDT (Root System Description Table)
Die RSDT enthält einen oder mehrere Verweise auf andere Tabellen, die Informationen über die Verfahrensweisen − nach bestimmten Standards − die im System eine Rolle spielen, enthalten. So ist im ACPI-System z. B. immer der Verweis auf die Fixed ACPI Description Table (FADT) vorhanden.
DSDT (Differentiated System Description Table)
DSDT beschreibt implementierte Systemfunktionen wie Power Management, Plug and Play, Kühlungsmanagement in sogenannten Definition Blocks. Definition Blocks enthalten neben Informationen zur Ansteuerung auch in AML (ACPI Machine Language) kodierte Steuerfunktionen. Die für ACPI-Funktionen in der DSDT eingetragenen Definition Blocks bilden die Grundlage für das Funktionieren der ACPI-Funktionen im System. Der DSDT Differentiated Definition Block wird beim Systemboot geladen, und verbleibt im Speicher.
XSDT (Extended System Description Table)
Diese Tabelle enthält Verweise auf zusätzliche Beschreibungen der Konfiguration und der Systemimplementierung.
FADT (Fixed ACPI Description Table)
Diese Tabelle enthält statische, systembedingte Informationen zu Power Management, sowie Zeiger auf die Firmware ACPI Control Structure (FACS) und die Differentiated System Description Table (DSDT).
FACS (Firmware ACPI Control Structure)
Die FACS speichert die vom BIOS eingetragenen systemspezifische Daten zum ACPI. Diese Daten sind die Grundlage für die Kommunikation von Betriebssystem und Firmware..
SBST (Smart Battery Table)
Eine ACPI-Tabelle, die von Plattformen mit Smart Battery Subsystemen benutzt wird. Die Tabelle definiert Energieversorgungsgrenzwerte, die das System veranlassen in bestimmte Schlafzustände zu wechseln und den Benutzer darauf aufmerksam zu machen.
ECDT (Embedded Controller Boot Resources Table)
SRAT (System Resource Affinity Table)
Diese Tabelle wird von NUMA-fähigen Betriebssystemen ausgelesen, um lokalen Threads (Aktivitätsträger) auch lokalen Speicher zuweisen zu können. Die Speicherzugriffszeit wird somit minimiert, die Systemperformance steigt. Eine eventuelle „Node-Interleaving“-Funktion, welche in einigen AMD-Opteron-BIOS-Einstellungen zu finden sind, gehört bei NUMA-fähigen Betriebssystemen abgeschaltet, SRAT selbstverständlich an.
SLIT (System Locality Distance Information Table)
Diese Tabelle gibt den Abstand der Nodes untereinander an. Das wird benötigt, um angeforderten Speicher auf dem nächsten (d. h. schnellsten) Node zu allozieren, falls der lokale Speicher zu klein ist.
Weblinks
- ACPI Component Architecture, Intel Corp.
- Advanced Configuration & Power Interface
- Tipps zur ACPI-Konfiguration – c't-Redaktion, Einführung (kostenpflichtig)
- Linux ACPI
- APCI unter FreeBSD
- Teil 1, AMD-Opteron-Dual-Prozessor -System
- Teil 2, AMD-Opteron-Quad-Prozessor-System, SRAT- / NUMA-Einfluss
- ACPI Specification
- Microsoft: ACPI sollte nur unter Windows funktionieren - Patente sollten Verwendung durch offene Betriebssysteme verhindern
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