CPU省电的秘密（一）：EIST

EIST-智能降频技术，它能够根据不同的系统工作量自动调节处理器的电压和频率，以减少耗电量和发热量。它的引入，大大节省了CPU在低工作量的能耗，受到极大欢迎，从此每一代Intel CPU上都有了它的身影。本文介绍了它的历史和工作原理

理论基础

CPU耗电量可以用下面这个公式来衡量：

很像质能方程有没有？其中C代表电容率（Capacitance），与CPU的制程和工艺等相关，在CPU出厂时就已经确定下来，是个常数（吐槽下，中文版的Wikipedia解释是错误的）。P是能耗（Power），F代表频率（frequency），V是电压（Voltage）。当CPU在很高的频率上运行时，效能很高但耗电量很大。如果我们能在CPU运算量不大时，让它降频运行，这样我们就可以减少公式中P的消耗，同时我们可以降低电压，从而更大的节约能耗，同时降低风扇等的噪音。如果这个降低不会降低用户使用体验，或者说用户几乎感觉不到，那何乐而不为呢？当然实际情况远比这个复杂，如果给定任务，更快的算完，CPU可以进入更省电的C state，而不会傻等，实际省电不会像这个近乎三次方的关系，但是在大多数情况下还是可以极大的节省耗电。这就是EIST能省电的理论基础。

历史

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它的由来很有一段历史了。话说，在很久很久以前，在遥远的地方，有一个古堡。。。。。咳咳，对不起，穿越了。在Intel的奔腾芯片早期时代（I, II）,CPU开机就以固定频率运行，从不停歇。而人们大部分时间实际上是用不到CPU全部的算力的。因为笔记本电脑的特殊性，耗电问题尤为严重。

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需求带来了研发的动力，在1999年后期，一项代号为Geyserville （GV）的技术被引入奔腾M系列CPU。在2000年1月，这项技术有了官方的名字：SpeedStep。从此它就开始了一段不平凡的演化之路：

·  SpeedStep (GV1.1)

最早被引入奔腾M III，也就是笔记本电脑版奔腾。原理十分简单：双模式工作--全功率模式和省电模式。插上电源时，全速工作；电池供电时，已几乎一半主频工作（当然可以手动切回全速模式）。

· Enhanced SpeedStep (GV2.1)

加入了根据工作量自动在两个主频间切换的功能。实际上CPU就可以工作在三种模式下了：省电模式，性能优先模式和自动模式。

· Enhanced SpeedStep (GV2.2)

加入了Deep Alert mode。可以已更低的电压工作在省电模式下。

·EIST(Enhanced Intel SpeedStep Technology，GV3)

这版做出了巨大的改进，从此不再是只有两种频率可以选择了，而是有一个范围可以选择，通常以100MHz为一个步进（Step）。举个例子，奔腾M 1.5GHz可以有1.5，1.4，1.3，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8和0.7GHz可以选择。

从此EIST进入了稳定期，改进主要集中提供在更多的步进，和进入多核CPU后，降频的粒度上的改进。在后面原理部分有详细的介绍。

操作系统在接受EIST上也经历了一个过程，从最早的OS透明，全部由SMM完成（意味着延迟很大）；到由硬件供应商（IHV）提供驱动；最后现代的OS已经全部自带全部支持，无需用户操心。而固件中EIST也从缺省的关闭，到缺省打开，SMM模式的EIST代码也已经从固件里面消失了。EIST功能现在不但出现在笔记本CPU中，在台式机和服务器CPU中也变成了必不可少的关键功能。

工作原理

首先我们要明白，OS主导了在整个EIST在的各个频率的切换，只有它最了解工作量。同时EIST要工作，硬件，固件和OS三方缺一不可。我们也就从这三个方面介绍它的工作原理。

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Intel CPU是EIST可以工作的硬件基础。它通过一系列寄存器保证固件和OS可以得到足够的信息，有足够的手段控制EIST的工作模式。

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说到固件，不得不提到ACPI。ACPI全称Advanced Configuration and Power Interface，我们以后再详细介绍它，这里只需要知道它是固件和OS的电源管理接口和模型。其中ACPI规范定义了CPU的工作状态，包含S-States（这个是整个系统）、C-States和P-States三种，其中S-States（Sleeping states）指系统睡眠状态，C-States（CPU Power states）指CPU电源状态，而P-States（CPU Performance states）则指CPU性能状态。当然除了这三种外，还有G-States（全局状态）和D-States（设备状态）。整个关系如下图：

而EIST各个工作频率是通过在C0（C-states以后再介绍）下的各种P-states表现出来的。固件要支持EIST，至少需要做以下工作：

1）检测和打开/关闭EIST

固件可以通过CPUID来检测CPU是否支持EIST，如果不支持就没什么事了。如果支持的话，主要的步骤就是使用WRMSR去写IA32_MISC_ENABLES开启EIST。

2）计算各种EIST参数

当固件开启CPU EIST以后就需要计算出该CPU支持的各种参数，如MinRatio(MaxEfficiencyRatio) 、MaxRatio、RatioStepSize和NumStates，所有这些信息都可以通过CPU MSR直接或者间接的获得,其中MinRatio MaxRatio都可以从PLATFORM_INFO中获得（不同的bits），NumStates就是二者的差。CPU的工作频率 = BCLK * Ratio，旧架构的CPU BCLK通常是由clock gen给出的,通常上是100/200 MHZ。新架构下CPU clock gen是内置的，BCLK固定是100MHZ。

这里需要特别说明，在打开Turbo Mode（官方名字：睿频或智能加速技术，Intel Turbo Boost Technology），最高频率（即P0）要留给Turbo Mode。CPU会自动判断该使用什么样的频率。关于睿频和它的原理，不在本文的范围内。

3）填充各种ACPI的table

l.  _OSC & _PDC

_0SC(Operating System Details) & _PDC(Processor Driver Capabilities)在功能上比较接近，基本上供OSPM（

Operating System-directed configuration and Power Management，操作系统电源管理模块 ）和OS驱动调用和固件传递一些关于P-state是否支持和实现方式的一些设定；另外关于_PSD Coordination Type也是有_PDC提供的。

II .  _PSS

Performance Supported States用于回报OSPM 该平台所支持的Processor Performance States的数量 并且通过一个packaged list的形式回报出该P-State的internal CPU core frequency、typical power dissipation、control register values、status register values。第0个package表示该平台所支持的最高的P-state，第n个package表示最低的P-state。Packaged lists的格式如下所示,其中需要说明的是关于Control和Status这两个参数，其中Control表示要写到 MSR IA32_PERF_CTRL中的值，Status用于当OSPM通过WRMSR 写完IA32_PERF_CTR之后再读取IA32_PERF_STATUS中的值并和Status做比较 以确定P-state切换是否已经完成。

前面部分已经提到如何计算MinRatio、MaxRatio、RatioStepSize、NumStates的值了，我们就可以将这些值填入_PSS packaged lists之中了。下面是一个_PSS的具体的例子，这个例子中MinRatio = 0x0c、MaxRatio = 0x10、RatioStepSize = 0x01、NumStates = 5。

Name (_PSS, Package()

      {

            Package(){1600, 21500, 10, 10, 0x0010, 0x0010},

            Package(){1500, 14900, 10, 10, 0x000F, 0x000F},

            Package(){1400, 8200,  10, 10, 0x000E, 0x000E} ,

            Package(){1300, 14900, 10, 10, 0x000D, 0x000D},

            Package(){1200, 8200,  10, 10, 0x000C, 0x000C} 

        }) // End of _PSS object

另外当该平台支持Turbo Mode时 P0将会report为Turbo Mode。

需要说明的是一般的做法是在SSDT中填入空的_PSS占位表，而当正式启动时，再根据前面的计算结果修改（Patch）入正确的值。

III．_PCT

Performance Control用于将P-state MSR interface 报告给OSPM，OSPM通过_PCT 报告出来的操作切换P-states（OSPM不止运行在Intel CPU上），在过去，这里往往返回一个IO端口，用于陷入(trap)SMM，由固件来通过MSR切换不同的状态。在新近的CPU架构下_PCT通常report native mode也就是FFH的方式，然后OSPM就通过CPU 驱动（它知道要操作哪些MSR）来切换。

lV.  _PPC

 Performance Present Capabilities用于动态的告知OSPM该平台当前所支持的最高级别的P-state，它返回的值就是_PSS中的Packaged lists中的entry num，如_PPC return 0表示支持_PSS中report的所有的P-state [p0,pn]； return 1就表示支持[p1,pn]之间的P-state。

上面的逻辑通过程序看可能会更加直观。大家可以访问在Github上的Minnow3项目的源程序。

1）和2）的代码在https://github.com/tianocore/edk2-platforms/blob/devel-MinnowBoard3/Silicon/BroxtonSoC/BroxtonSiPkg/Cpu/PowerManagement/Dxe/PerformanceStates.c

3）的代码在https://github.com/tianocore/edk2-platforms/blob/devel-MinnowBoard3/Silicon/BroxtonSoC/BroxtonSiPkg/Cpu/AcpiTables/CpuSsdt/Cpu0Ist.asl

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如前所述，OS知道现在的工作量，由它来决定是不是要在各个P-states之间迁移。对Windows来说，其维护一个叫做电源策略管理器（power policy manager）的模块，在用户选择了不同的运行场景（可以调用powercfg.exe查看修改）情况下，根据目前工作量来调用processr.sys，这是个通用驱动，它再调用不同的CPU厂商的特有驱动来切换，Intel的EIST驱动是intelppm.sys，在Win10里你还可以找到它。需要指出的是，intelppm.sys并不是Intel产出的，他是微软为Intel CPU写的驱动，这和很多板卡驱动由硬件供应商来提供不同。Linux的支持始于Linux 2.6，由cpufreq来提供支持。

后记

所有的知识点都介绍完了，下面就是彩蛋部分了。前面提到的降频在粒度上的改进，是指每次降频的作用范围。过去一次降频需要整个Package里的所有core都进入同一频率，从而最高的可以下降的频率决定了最后频率（进入C-state的除外）。而在引入了内嵌的电压管理器后，不同的core可以进入不同的pstate（per core pstate），从而更加省电。这项技术需要固件对ACPI的Domain等做一些调整，而对OSPM是透明的。

一些有意思的分支话题我们可以深入思考一下：

1.    CPU在C0状态下有两种手段降低功耗的方法，其一是之前介绍过的P-state，另一个就是T-state。T-state全称就是Processor Throttling States，它为OSPM提供另一种降低系统负载和温度的能力，听上去可能和P-state很像，其实是有区别的，你知道是在哪里吗？

2.     AMD提供了类似技术：Cool 'n' Quiet。俗称冷又静，它和EIST的区别在哪里呢？