linux 中 ACPI 电源管理 G 状态、S 状态、D 状态、C 状态、P 状态

ACPI 高级电源管理

ACPI 中定义了 G、D、S、C、P 这 5 个大的电力状态。

G 状态 Global system state

G 状态表示的是用户看到的整个系统的电力状态。

• G0 运行模式。向硬件提供电源，软件可以运行的状态。

• G1 停止模式。所谓的待机或休眠状态。

• G2 软件为关闭状态，应将消耗若干电力状态。

• G3 系统完全关闭，电源关闭的状态。

S 状态

• S0 运行模式，与 G0 相同。

• S1 到恢复为止的延迟时间较少的停止模式。 CPU 的上下文不会丢失。

• S2 丢失 CPU 和系统缓存上下文。这些上下文需要在系统唤醒时进行恢复。在 Linux 中与 S3 相同。

• S3 丢失除软件以外的系统上下文。这些上下文需要在操作系统唤醒时进行恢复。

• S4 最省电。到恢复为止花费时间最多的停止模式。停止向所有设备提供电源

• S5 除了不保存上下文以外，其它与 S4 相同。 S5 在恢复时进行的处理与普通的操作系统相同。与 G2 含义相同。

D 状态

Device Power State 定义的是各个设备的电力状态，设备的状态有如下内容：

• 耗电量
• 保存设备内寄存器上下文的状态
• 直到设备驱动程序可使用为止必须进行的操作量
• 直到设备可使用为止需要的时间

不同的子状态描述如下：

• D0 设备可以完全运行的状态。所有上下文全部有效，最耗电。

• D1 对于每个设备的意义不同。一般来说，耗电量比 D0 少，丢失的上下文比 D2 更少

• D2 对于每个设备类型的意义也不同。一般来说，耗电量比 D1 更少，丢失的上下文比 D1 更多。

• D3hot 对于每个设备类型的意义不同。D3hot 状态的设备主电源开启，可以从软件访问设备。但上下文是否能保留取决于实际安装的设备。D3 设备电源完全断开的状态。设备的上下文全部丢失，到恢复为止花的时间最长。在 PCI 用语中称为 D3cold。PCI 中常常将 D3hot 与 D3cold 统称为 D3

C 状态

Processor Power State 是 G0 中 CPU 空闲时进行的省电模式。

• C0 运行中的状态。通常的运行模式。

• C1 CPU 停止状态。使用 hlt 命令停止 CPU 的时钟，到恢复为止几乎没有延迟时间，软件不需进行特殊处理。

• C2 总线的时钟也停止。恢复所花费的最长延时时间传递给 ACPI 的固件，操作系统基于这个延时时间判断使用 C1 还是 C2。

• C3 将花费时间最长的延迟传递给 ACPI 固件，操作系统使用这个延迟时间判断使用 C2 还是 C3。操作系统需要考虑缓存的同步。

使用 C 状态时要注意，C 状态的程度越深，恢复到 C0 状态所需的时间越长。

P 状态

全称为 Device and Processor Performance State

P 状态是以控制电量消耗来降低设备或 CPU 的性能，对 D0 状态的设备、C0 状态的 CPU 进行了更细致的划分。

• P0 通常的模式。以最高性能、最大耗电量运行。

• P1 运行在低于最高性能、最大耗电量的模式 Pn n 的值越大，性能和耗电量越低。

ACPI 的结构

1. ACPI 系统描述表
2. ACPI 寄存器
3. ACPI BIOS

ACPI 描述表在 ACPI 的接口中是核心的组件，提供 ACPI 寄存器等信息。ACPI BIOS 可以 提供 ACPI 系统描述表以及启动、停止、唤醒等功能。

两个编程模型

ACPI 的硬件模型有下面两种：

固定硬件编程模型

使用 ACPI 中定义的寄存器来访问 ACPI 的功能。

通用硬件编程模型

各厂商可以使用 ACPI Machine Language 将硬件固有的处理安装到 BIOS 中。操作系统可 以通过分析 BIOS 提供的 AML 代码，来理解就餐器的地址和访问方法等。

AML 是二进制码，通过编译 ACPI Source language 来生成。操作系统分析 AML 将 AML中 所写的内容按照解释器来执行。

ACPI 系统描述表

可以通过 pmtools 与 iasl 相关的命令来查看。执行如下命令安装这两个程序：

sudo apt-get install pmtools sudo apt-get install iasl

运行示例如下：

root@debian:~# acpidump -b -o dsdt.dat 
root@debian:~# ls apic.dat boot.dat dsdt.dat facp.dat facs.dat hpet.dat mcfg.dat srat.dat waet.dat 
root@debian:~# ls apic.dat boot.dat dsdt.dat facp.dat facs.dat hpet.dat mcfg.dat srat.dat waet.dat root@debian:~#
root@debian:~# iasl -d dsdt.dat

Intel ACPI Component Architecture
ASL+ Optimizing Compiler/Disassembler version 20181213
Copyright (c) 2000 - 2018 Intel Corporation

Input file dsdt.dat, Length 0x1368A (79498) bytes
ACPI: DSDT 0x0000000000000000 01368A (v01 PTLTD  Custom   06040000 MSFT 03000001)
Pass 1 parse of [DSDT]
Pass 2 parse of [DSDT]
Parsing Deferred Opcodes (Methods/Buffers/Packages/Regions)

Parsing completed
Disassembly completed
ASL Output:    dsdt.dsl - 729339 bytes
root@debian:~# head -n 30 dsdt.dsl
/*
 * Intel ACPI Component Architecture
 * AML/ASL+ Disassembler version 20181213 (64-bit version)
 * Copyright (c) 2000 - 2018 Intel Corporation
 *
 * Disassembling to symbolic ASL+ operators
 *
 * Disassembly of dsdt.dat, Mon Aug 10 12:43:44 2020
 *
 * Original Table Header:
 *     Signature        "DSDT"
 *     Length           0x0001368A (79498)
 *     Revision         0x01 **** 32-bit table (V1), no 64-bit math support
 *     Checksum         0x63
 *     OEM ID           "PTLTD "
 *     OEM Table ID     "Custom  "
 *     OEM Revision     0x06040000 (100925440)
 *     Compiler ID      "MSFT"
 *     Compiler Version 0x03000001 (50331649)
 */
DefinitionBlock ("", "DSDT", 1, "PTLTD ", "Custom  ", 0x06040000)
{
    External (_SB_.L1M0.L0MX, IntObj)
    External (_SB_.L1M1.L0MX, IntObj)
    External (_SB_.L1M2.L0MX, IntObj)
    External (_SB_.L1M3.L0MX, IntObj)
    External (_SB_.L1M4.L0MX, IntObj)
    External (_SB_.L1M5.L0MX, IntObj)
    External (_SB_.L1M6.L0MX, IntObj)
    External (_SB_.L1M7.L0MX, IntObj)

使用 ACPI 的 S 状态

查看支持的 S 状态：

root@debian:~# cat /sys/power/state
freeze standby mem disk
standby S1 mem S3 disk S4

切换状态：

echo "状态字符串" > /sys/power/state

执行示例：

root@debian:~# echo "mem" > /sys/power/state

按下电源键就可以恢复。

S3 状态的结构

使用 S3 状态时，不同系统的反应不同，大致操作如下：

• 停止进程
• 停止设备运行
• 将唤醒时的开始地址作为 Wakeup vector 登录到 BIOS
• 停止 BSP (Boot Strap Processor) 以外的 CPU 运行
• 停止系统设备运行
• 保存内核和 CPU 的状态
• 将获取到的 ACPI 的 _S3 对象得到的值写入 FADT 的 PM1 寄存器，进入待机模式。
• 系统恢复时，从登录到 wakeup vector 的地址启动，按下列方式恢复到待机前的状态
• 启用 ACPI
• 恢复系统设备
• 启用 CPU
• 清除 wakeup vector
• 恢复停止的设备
• 恢复进程

S4 状态的使用方法

linux 中 S4 称为 swap 待机，有内核的 S4 处理通过将内存上的所有数据保存在交换区磁盘来停止电源，恢复时由 bootloader 启动内核，在内核初始化时，把之前保存到交换区磁盘的数据读入内存来快速回复到原来的状态。

使用方法如下：

echo "platform" > /sys/power/disk 
echo "disk" > /sys/power/state

休眠要使用交换区磁盘，一般需要准备内存的 1.5 ~ 2 倍的磁盘容量。这应该就是 swap 要设置为 2 倍内存大小的原因。

在我的系统中，默认保存在交换区磁盘的内存大小如下：

longyu@debian:~$ cat /sys/power/image_size 814505984

执行如下命令来取消限制。

echo "0" > /sys/power/image_size

执行一次休眠后按电源键重新启动系统后查看 dmesg 信息，有如下相关信息：

[  759.283304] PM: hibernation entry
[  759.285989] PM: Syncing filesystems ...
[  759.289551] PM: done.
[  759.289552] Freezing user space processes ... (elapsed 0.001 seconds) done.
[  759.291357] OOM killer disabled.
[  759.291465] PM: Marking nosave pages: [mem 0x00000000-0x00000fff]
[  759.291466] PM: Marking nosave pages: [mem 0x0009e000-0x000fffff]
[  759.291467] PM: Marking nosave pages: [mem 0x7fee0000-0x7fefffff]
[  759.291468] PM: Basic memory bitmaps created
[  759.291505] PM: Preallocating image memory... done (allocated 95921 pages)
[  759.339329] PM: Allocated 383684 kbytes in 0.04 seconds (9592.10 MB/s)
[  759.339330] Freezing remaining freezable tasks ... (elapsed 0.002 seconds) done.
[  759.342363] Suspending console(s) (use no_console_suspend to debug)
[  759.343092] serial 00:05: disabled
[  759.376353] mptbase: ioc0: pci-suspend: pdev=0x0000000010a726cd, slot=0000:00:10.0, Entering operating state [D0]
[  759.457082] ACPI: Preparing to enter system sleep state S4
[  759.457366] PM: Saving platform NVS memory
[  759.457368] Disabling non-boot CPUs ...
[  759.494741] smpboot: CPU 1 is now offline
[  759.522630] smpboot: CPU 2 is now offline
[  759.550458] smpboot: CPU 3 is now offline
[  759.583388] smpboot: CPU 4 is now offline
[  759.606987] smpboot: CPU 5 is now offline
[  759.625346] smpboot: CPU 6 is now offline
[  759.653837] smpboot: CPU 7 is now offline
[  759.655801] PM: Creating hibernation image:
[  759.682494] PM: Need to copy 90196 pages
[  759.682497] PM: Normal pages needed: 90196 + 1024, available pages: 433921
[18446744073.256268] PM: Restoring platform NVS memory
[18446744073.257563] Enabling non-boot CPUs ...
[18446744073.257640] x86: Booting SMP configuration:
[18446744073.257640] smpboot: Booting Node 0 Processor 1 APIC 0x1
[18446744073.258291] Disabled fast string operations
[18446744073.258509]  cache: parent cpu1 should not be sleeping
[18446744073.258972] CPU1 is up
[18446744073.258998] smpboot: Booting Node 0 Processor 2 APIC 0x2
[18446744073.259670] Disabled fast string operations
[18446744073.259845]  cache: parent cpu2 should not be sleeping
[18446744073.260236] CPU2 is up
[18446744073.260272] smpboot: Booting Node 0 Processor 3 APIC 0x3
[18446744073.260877] Disabled fast string operations
[18446744073.261022]  cache: parent cpu3 should not be sleeping
[18446744073.261423] CPU3 is up
[18446744073.261443] smpboot: Booting Node 0 Processor 4 APIC 0x4
[18446744073.262117] Disabled fast string operations
[18446744073.262547]  cache: parent cpu4 should not be sleeping
[18446744073.263934] CPU4 is up
[18446744073.263991] smpboot: Booting Node 0 Processor 5 APIC 0x5
[18446744073.264913] Disabled fast string operations
[18446744073.265184]  cache: parent cpu5 should not be sleeping
[18446744073.265796] CPU5 is up
[18446744073.265821] smpboot: Booting Node 0 Processor 6 APIC 0x6
[18446744073.266459] Disabled fast string operations
[18446744073.266673]  cache: parent cpu6 should not be sleeping
[18446744073.267193] CPU6 is up
[18446744073.267219] smpboot: Booting Node 0 Processor 7 APIC 0x7
[18446744073.267894] Disabled fast string operations
[18446744073.268043]  cache: parent cpu7 should not be sleeping
[18446744073.268521] CPU7 is up
[18446744073.269975] ACPI: Waking up from system sleep state S4
[18446744073.325536] mptbase: ioc0: pci-resume: pdev=0x0000000010a726cd, slot=0000:00:10.0, Previous operating state [D0]
[18446744073.325631] mptbase: ioc0: pci-resume: ioc-state=0x1,doorbell=0x14000000
[18446744073.325631] mptbase: ioc0: Sending mpt_do_ioc_recovery
[18446744073.325632] mptbase: ioc0: Initiating bringup
[18446744073.325634] [drm] width 640
[18446744073.325639] [drm] height 480
[18446744073.325643] [drm] bpp 32
[18446744073.327033] [drm] Fifo max 0x00040000 min 0x00001000 cap 0x0000077f
[18446744073.327785] [drm] Using command buffers with DMA pool.
[18446744073.328515] usb usb2: root hub lost power or was reset
[18446744073.330434] serial 00:05: activated
[18446744073.331200] usb usb1: root hub lost power or was reset
[18446744073.331518] ehci-pci 0000:02:03.0: cache line size of 64 is not supported
[18446744073.389402] e1000: ens38 NIC Link is Up 1000 Mbps Full Duplex, Flow Control: None
[18446744073.423015] ioc0: LSI53C1030 B0: Capabilities={Initiator}
[18446744073.662087] mptbase: ioc0: pci-resume: success
[18446744073.696571] usb 2-2: reset full-speed USB device number 3 using uhci_hcd
[    0.267194] usb 2-1: reset full-speed USB device number 2 using uhci_hcd
[    0.433369] PM: Basic memory bitmaps freed
[    0.433370] OOM killer enabled.
[    0.433370] Restarting tasks ... done.
[    0.436577] PM: hibernation exit

PM: hibernation entry 与 PM: hibernation exit 之间就是休眠过程的处理。

有的 PC 上可能出现 BIOS 无法顺利运行，休眠失败的情况，这时可以尝试如下方法：

1. 编辑 grub.cfg 内核启动参数中添加用于恢复系统的交换设备 “resume=<交换设备名称>” 如 resume=/dev/sda1

2. 执行如下敏玲将休眠设置为 shutdown 模式

	echo shutdown > /sys/power/disk

3. 进行休眠

	echo disk > /sys/power/state

如果恢复系统后系统运行状态有所不同，有时会通过将交换区的数据强制读入内存来改善性能，这可以通过执行如下命令来完成：

swapoff -a
swapon -a

如果休眠失败，可以查看 /var/log/messages 文件来寻找原因。