前一篇关于EIST的文章中，我们提到了CStates，这里我们详细介绍一下它的由来和运行机理。

原理篇

上一篇文章中我们介绍了EIST，OS在工作任务不重的时候，可以调用硬件提供的接口对CPU进行降频降压以节省用电。但是如果不但任务不重，而是无事可干怎么办，为什么不干脆关掉这个内核呢？

想象一下，我们新建了一个有八个大车间的新工厂，厂房干净漂亮，传送带笔直干净，各个厂房之间有宽阔的道路，到处照明充足，在车间外还有外围仓储库，和总的入厂出厂和后勤支持部门。更妙的是，这里全部机器人操作，只有你坐在总经理办公室里，手握一个可以控制各个地方的遥控器。你的最大敌人是需求极度不明确，随时都有可能变化，为了更大的利益，你会如何安排生产策略呢？聪明的你当然会在需求很大时加大马力全力生产，以求最大效益。在需求不足时，可以让有的生产线传送带减慢些，以节省不必要的消耗。需求进一步下滑时，你会停掉某个车间的流水线，同时切断流水线机器人的电源，你还留有后手，在需求回升时随时可以恢复生产。需求还是很糟糕一段时间后，你会干脆关掉这个车间，让机器人都回到仓库中，关掉车间所有的照明等等的电力，这样几乎不会消耗什么东西了，不过要恢复生产就要费一番时间了。在明确是淡季后，你关掉了几个相邻车间，并关闭其共享的道路和后勤部门，清空了附近的仓库，进一步减低消耗。在做这些事时，你需要仔细衡量各个时机，以在省电和不会被忽然来到的需求弄得焦头烂额之间寻求平衡，越节省电力，要恢复全力生产就越麻烦，而你必须做到心中有数。

这里你就是OS（操作系统），工厂是CPU，而车间就是内核（假设八核），仓库是Cache；各个省电的级别可以映射到不同的CStates（第一个调慢流水线是Pstates），你聪明的抉择自然归于OS的电源管理策略了。怎么样，是不是很简单直接呢？

历史

你也许会吃惊于这个低功耗概念是在486DX就部分引入了，远不是什么新鲜事。然而，随着时间的迁移，越来越多更加省电的状态被引入到最新的CPU中。在深度上，最开始只有C1，接着C2、C3、C5、C6、C7等等陆续得到支持。在广度上，开始时Thread级别的（HT情况下，一个Core有两个Thread）,后来加入了Core级别的，在多CPU的系统上还引入的CPU整体的CStates（Package CStates）。在最深的Package CStates下的CPU，耗电几乎为0了。下面有张简表我们可以看看各个CPU的支持程度:

操作系统最开始只是简单的在Idle（空闲）时调用HLT指令从而进入C1。在Windows95开始支持ACPI后，才开始支持其他的CStates。

实现

和上一篇文章一样，我们还是要强调，OS主导了在整个CStates在的的切换，只有它最了解工作量。同时CStates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。

1

Intel CPU是CState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CState的工作模式。下面我们详细介绍下各个不同的CStates。

·  C1

所有的X86 CPU都有个HLT（”Halt”）指令，调用后，CPU会进入idle模式，什么事也不干，直到收到中断。这里是个绝佳场所可以用来节电，Intel在这里引入了C1状态，关闭了时钟信号（内部bus和APIC除外）。由于时钟信号驱动内核里绝大多数部件，它的停止，让这些设备也停止了运行，从而减少了电能消耗。有趣的是HLT指令自从8086开始就有了，这次的功能扩展几乎不要任何软件改动就能省电。

在Core 2 Duo（酷睿2）引入了C1E（Enhanced Halt），在关闭时钟的基础上调低了电压，从而更加省电。如果你在固件中打开它，HLT时会自动进入C1E而不是C1。

·  C2/C3

C2也是在486DX引入，它增加了一个STPCLK(“Stop Clock”)引脚，这在某种程度上和C1很像，不同点在于，一个是软件触发的（C1），一个是硬件触发的（C2）。后来加入的关闭时钟发生器的功能让耗电进一步减少。后面C2E也出现了，C3开始内部的BUS和APIC时钟也被关闭，这里不再赘述。

要特别强调的是，C1，C2和C3下，Cache一致性是得到保证的，从而恢复现场速度也很快。

 ·  C4/C6/C7

C4/C6/C7下，越来越多内部设备的上下文状态信息（Context）也被封存和冻结，Catch被清空和关闭。如此一来，要恢复现场变得越来越耗时。同时Cache一致性也被破坏，OS需要知道它何时需要清理Cache。

2

前文中已经提到ACPI，这里不再赘述。CStates的状态转换如下图：

这里要强调一下，ACPI的C1,C2,C3并不等同于硬件提供的C1,C2,C3,C5..C7。细心的读者会发现他们个数并不一致。ACPI的CStates是个软件抽象概念，它认为进入更深的Cstate时会有更大的延时，通常延迟越大功耗对应的Cstate的功耗就越低。APCI规定C0 C1 C2需要保持cache的一致性（要保证CPU cache中的数据一定要是最新的数据），C3以及后续的state就没有这个要求了。C0和C1必须支持，而C2/C3就是可选项了。如此一来，固件就有责任将ACPI的CStates映射到合适的硬件的CStates上来。通常C0，C1,C2/C3基本一致(硬件C3和C2基本二选一)，而硬件的C4到C7我们都会映射到ACPI C3上了（ACPI C3不一定唯一，后面有介绍）。

要完成基本的CStates的支持固件应该含有以下步骤：

I.       打开关闭CStates

BIOS可以通过CPUID function 5 来检查 CPU是否支持Cstate，以及支持哪些Cstate（C1 C1E C3 C6 C7），支持的最大的Cstate也可以通过MSR去设定，默认情况下增强型Cstate以及IO MWAIT Redirection是不支持的，固件要根据系统的需求决定是否开启支持该功能的寄存器。

II.     初始化

硬件提供我们两种方式进入CStates（除了C1）：一个IO端口或者MWAIT指令。关于MWAIT，这里不再展开讨论，只需要知道MWAIT的方式通常延迟更小，因为不需要做耗时的IO操作。这里我们要根据用户选择或者预设，开启或者关闭MWAIT的支持。

III.    填写各种ACPI tables

1.    _OSC & _P.DC

_0SC(Operating System Details) & _PDC(Processor Driver Capabilities)在功能上比较接近，基本上供OSPM调用和BIOS传递一些关于Cstate Pstate Tstate是否支持，以及支持的程度和实现方式的一些设定，BIOS可以依据OSPM的参数回报相应的ACPI Structures。

2.     _CST

_CST 汇报给OSPM的有关该平台CPU所支持的C-state的信息。它的格式如下所示：

CSTPackage : Package ( Count ,  CState ,…,  CState )

其中Count表示所支持的Cstate的个数

CState: Package ( Register ,  Type ,  Latency ,  Power ) 

Register表示OSPM调整C-state的方式，Type表示CState的类型（1=C1, 2=C2, 3=C3)。Latency表示进入该Cstate的最大的延迟， Power表示在该Cstate时的功耗（单位是毫瓦）。下面是个样例，这个CPU支持4个Cstate,其中C1使用FFixedHW的方式访问，其它3个Cstate都是通过IO方式。

Name(_CST, Package() 

{

4,

Package(){ResourceTemplate(){Register(FFixedHW, 0, 0, 0)}, 1, 20, 1000},

Package(){ResourceTemplate(){Register(SystemIO, 8, 0, 0x161)}, 2, 40, 750},

Package(){ResourceTemplate(){Register(SystemIO, 8, 0, 0x162)}, 3, 60, 500},

Package(){ResourceTemplate(){Register(SystemIO, 8, 0, 0x163)}, 3, 100, 250}

})

3.         _CSD

C-State Dependency 用于向OSPM提供多个Thread（逻辑Core）之间Cstate的依赖关系。比如在一个Dual Core的平台上，每颗核可以独立运行C1但是如果其中一个核切换到C2，另一个也必须要切换到C2，这时就需要在_CSD中提供这部分信息。

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。代码在https://github.com/tianocore/edk2-platforms/blob/devel-MinnowBoard3/Silicon/BroxtonSoC/BroxtonSiPkg/Cpu/AcpiTables/CpuSsdt/Cpu0Cst.asl

3

OS在收集到了各个ACPI CStates的耗电和延时数据后，会综合考虑迁移到各个状态的代价，而这些是一个叫做电源策略管理器（power policy manager）的模块来管理，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，

后记

现在不但各个操作系统利用CStates来省电，甚至在固件的短短运行周期里也会在内核不工作时使其进入Cstate。有兴趣的人可以查看EDKII的CPU代码，其通过一个PCD来控制Idle时是Busy Idle, HLT还是更深的Cstate。