Спецификации и концепции энергопотребления.
В современных ПК многие устройства созданы специально с учетом возможности управления потребляемой мощностью, а также и возможности отключения этих устройств в случае, когда нет необходимости их использования.
Принцип работы таких устройств в части энергосбережения заключается в том, что при подаче соответствующего сигнала от программы управления они могут снизить потребляемую мощность или совсем перейти в «спящий» режим. При подаче сигнала на «пробуждение» устройства восстанавливают свою работоспособность в полном объеме.
Устройствами, управляемыми такими программами, являются монитор, жесткий диск и процессор.
Кроме того, используя утилиты, поставляемые в составе операционных систем нового поколения, возможно управлять работой внешних ИБП.
Управляя электропитанием компьютера, можно сэкономить деньги, продлить срок эксплуатации его устройств и предотвратить потерю данных пользователя. Сколько же электроэнергии потребляет настольный ПК? Оказывается достаточно много. Так, жесткий диск потребляет до 25 Вт, центральный процессор — до 40 Вт, а 17- или 19-дюймовый монитор — от 90 до 150 Вт, т.е. ПК может потреблять в среднем 200...300 Вт. Теперь, умножив это значение на количество часов и стоимость одного кВт • ч, очень просто подсчитать, сколько придется платить за потребленную электроэнергию.
Поэтому большинство современных ПК поддерживают стандарты по энергопотреблению — усовершенствованные средства управления электропитанием (так называемая спецификация АРМ) и интерфейс автоматического управления конфигурацией и питанием (спецификация ACPI).
Спецификации АРМ и ACPI
С 1995 г. ПК стал соответствовать требованиям Energy Star (см. далее в этой главе), а в его BIOS (базовой системе ввода/вывода) появилась функция Advanced Power Management (АРМ). Под АРМ понимают стандарт от Microsoft и Intel, появившийся в 1992 г. и ставший первой спецификацией для производителей ПК, которая установила взаимодействие между операционной системой (ОС) и BIOS компьютера при управлении энергопотреблением.
В 1996 г. появился ACPI (Advanced Configuration and Power Interface — интерфейс конфигурирования и управления энергопотреблением). Эта спецификация, предложенная Intel, Microsoft и Toshiba, является ключевым элементом технологии Operating System Directed Power Management (OSPM — непосредственное управление энергопотреблением операционной системой). ACPI 1.0 претерпела существенные изменения по сравнению с ранее применявшейся ранее спецификацией АРМ 1.2. Кроме функций по управлению электропитанием ПК, ACPI также учитывает температуру материнской платы и процессора позволяет «усыплять» компьютер программно. Впервые ACPI 1.0 была реализована компанией Intel в чипсете 440LX с одновременной реализацией архитектуры AGP.
В настоящее время действует спецификация ACPI 2.0, которая распространяется на более широкий спектр компьютеров, включая корпоративные серверы, настольные системы и ноутбуки. Кроме того, в ACPI 2.0 добавлена поддержка 64-разрядных микропроцессоров для серверов и поддержка различных типов памяти.
Концепция IАРС
Недавно в рамках проекта Energy Star для своих систем на базе процессора Intel Pentium 4 такие производители, как Compaq, Dell, Gateway, Hewlett-Packard, Fujitsu-Siemens, IBM, Samsung, Legend, Mitac, ACER создали решения, поддерживающие Intel Instantly Available PC (IAPC). IAPC описывает технологии, позволяющие ПК при переходе в режим ожидания (когда устройства ПК не используются) снижать потребляемую мощность до 5 Вт и менее. Совместные усилия этих компаний могут помочь сократить количество потребляемой среднестатистическим ПК электроэнергии на 70%. Концепция IAPC может стать стандартом практически для всех новых компьютеров, потому что к 2010 г. при ее реализации компании смогут сэкономить до $3,5 млрд.
Проект Energy Star (www.energystar.gov) входит в программу эффективного использования электроэнергии, которая проводится ЕРА (U.S. Environmental Protection Agency — Управление по охране окружающей среды США) при поддержке Министерства энергетики этой страны. В 1992 г. была создана Комиссия Energy Star, которая работает над вопросами повышения эффективности использования энергии. В ноябре 2001 г. эта комиссия выступила с общенациональной инициативой изменить подход к использованию энергии, тем самым обеспечив ее экономию в масштабах всей страны и снизив загрязнение окружающей среды.
Концепция IAPC предусматривает отказ от необходимости начальной загрузки ПК после включения, обеспечивая тем самым мгновенную его готовность к выполнению работы, когда в этом возникает потребность. Для полного «пробуждения» ПК потребуется 5 секунд, а способность принимать и передавать информацию будет сохраняться даже во время «сна». Дополнительную информацию о концепции.
Состояние компьютера по питанию
При использовании ACPI компьютер пребывает в одном из двух состояний: рабочем или в состоянии ожидания. В состоянии ожидания устройства могут быть переведены в режим пониженного потребления энергии, а затем по мере необходимости их можно быстро перевести в обычный режим функционирования. В целом, ПК продолжает работать, хотя некоторые устройства находятся в разных состояниях энергопотребления. Компьютер, переведенный в состояние ожидания, кажется выключенным, хотя на самом деле он находится в готовности в одном из четырех состояний ожидания. Из каждого состояния ожидания ПК может быть переведен в рабочий режим, но при этом в каждом случае потребуется разное время.
При реализации спецификации ACPI тумблер (кнопка) питания компьютера становится программным переключателем: («Выключить» (sleep), «Включить» (wake-up). За исключением случая прекращения подачи электропитания на компьютер, ОС оставляет управление за собой и может переводить компьютер в различные состояния по электропитанию, которые перечислены в табл. 5.1.
|
Таблица 5.1 |
Краткое описание состояний компьютера по электропитанию
|
Состояние |
Описание |
|
Working (Рабочее) (GO) |
Приложения выполняются, подача электропитания на устройства ПК и процессор осуществляется в соответствии с требованиями системы. Все компоненты доступны |
|
Sleeping (Ожидание) (G1) |
Процессор останавливается, программное обеспечение не выполняется. Разрешены события включения по звонку модема, по сигналу из локальной сети или по сигналу таймера. Все устройства «спят» (потребление энергии снижено). Организовать «пробуждение» можно в любое время |
|
Soft Off (Программное отключение) (G2) |
Система не работает. Переход в рабочее состояние потребует полной загрузки BIOS и ОС. Энергопотребление используется только часами CMOS и «жизненно необходимыми» устройствами, например, сетевыми платами и модемами, которым необходимо отслеживать сигнал включения. Программное отключение предусматривает автоматическую загрузку системы по тем же сигналам, что и в состоянии ожидания |
|
Mechanical Off (Аппаратное отключение)(G3) |
На компьютер питание из электросети вообще не подается |
Спецификация OnNow
Эта спецификация — детище Microsoft. Для полной реализации спецификации OnNow обязательным условием является наличие на материнской плате раздельного электропитания ее компонентов. Ее разработчики вместо неопределенного достаточно четкого состояния ожидания, ввели четыре новых состояния:
Режимы электропитания мониторов
Параллельно с развитием и совершенствованием технологий энергосбережения, затрагивающих производителей компонентов ПК и разработчиков ОС, совершенствовались и модели мониторов. Стандарт ЕРА Energy Star, именуемый как VESA DPMS (DPMS — Display Power Management System), определил унифицированную процедуру энергосбережения и ступенчатого выключения монитора:
Интерфейс ACPI
Регистры и драйверы ACPI
Системный код OSPM, используемый для управления энергопотреблением, является частью ОС и отвечает за управление питанием ПК и его устройств. OSPM-код через ядро ОС обменивается сообщениями с драйверами конкретных устройств и драйвером ACPI, который обрабатывает системные функции и взаимодействует с регистрами ACPI и ACPI BIOS.
ACPI BIOS состоит из таблиц ACPI, в которых содержится информация об устройствах Plug and Play (самонастраивающихся устройствах) и способах, используемых драйвером ACPI для выполнения операций по управлению электропитанием. Кроме того, ОС использует сведения (прерывания IRQ, адреса ввода/вывода (I/O) и каналы прямого доступа к памяти DMA) из таблиц ACPI для нумерации и конфигурирования устройств материнской платы.
В чипсете системных контроллеров находятся регистры ACPI, позволяющие управлять системой в целом. ACPI BIOS и регистры ACPI не зависят от ОС и обеспечивают стандартный интерфейс для управления питанием и конфигурацией устройств ПК.
Механизм реализации ACPI
Чтобы перевести компьютер в состояние ожидания («сна»), с жесткого диска нужно загрузить OSPM-код и выдать ядру ОС команду на перевод устройства в это состояние. Ядро ОС, в свою очередь, передает соответствующие команды (инструкции) драйверу устройства. После завершения операции драйвер устройства уведомляет об этом ядро, которое, в свою очередь, информирует системный код OSPM. Такие действия повторяются до тех пор, пока все устройства не перейдут в состояние «сна».
При этом соблюдается иерархическая подчиненность. Так, OSPM-код начинает обработку данных с жесткого диска, затем обрабатывает его контроллер. Когда все устройства на шине PCI переведены в состояние ожидания, OSPM-код обрабатывает собственно шину. Драйвер ACPI обращается к таблице ACPI и выполняет подходящий метод, чтобы перевести шину PCI в заданный тип режима ожидания. После завершения операции драйвер ACPI уведомляет ядро, которое, в свою очередь, информирует системный код OSPM. Последнее устройство, переводимое в режим ожидания, это чипсет системных контроллеров, который переводится в режим ожидания через регистры ACPI.
Возможности ACPI
Чтобы реализовать ACPI, обязательно соблюдение следующих условий:
Кроме основных функций BIOS компьютера по управлению электропитанием, при запуске системы, поддерживающей ACPI, ядро ACPI-интерфейса обеспечивает:
Датчики и сторожа
Для того чтобы отслеживать параметры состояния системы, используются датчики (сенсоры) и «сторожа» (watchdogs). Как известно, датчики измеряют какие-либо физические параметры. К ним относятся: датчики температуры (измеряют температуру центрального процессора или компонентов материнской платы), датчик вентилятора (измеряет скорость вращения вентилятора), датчики напряжения (измеряют значение напряжения).
К «сторожам» относятся:
System Initialization Failure. Инициализация основных компонентов системы, таких, как центральный процессор, оперативная память и т.д.;
Pre-Os Boot Failure. Отслеживание ошибки при загрузке BIOS, когда аппаратное обеспечение ПК уже инициализировано, а ОС еще не загрузилась;
OS Boot Failure. Отслеживание неполадок при загрузке ОС;
OS Hang. Обнаружение зависаний системы;
Shutdown Failure. Обнаружение проблем при выключении системы.
ACPI и конфигурирование устройств компьютера
В ACPI-системах механизм назначения и разделения прерываний шин PCI и AGP работает несколько иначе, чем в более старых системах. Автоматизация конфигурирования в Windows 2000 и Windows XP достигла достаточно высокого уровня, и разрешить какой-нибудь конфликт устройств вручную стало чрезвычайно трудно. Очень часто драйверы для этих ОС, рассчитанные на работу в ACPI-режиме, не позволяют изменять прерывания, используемые PCI- и AGP-устройствами. Кроме того, в ACPI-системах многим устройствам может назначаться одно прерывание даже при наличии свободных ресурсов.
Если в системе намного больше устройств, чем прерываний, то в ACPI-режиме вероятность удачного конфигурирования нескольких потенциально конфликтующих устройств более высока.
Иногда система с поддержкой ACPI может оказаться не совсем совместимой. Она будет корректно работать только в ACPI-режиме. Кардинально изменить конфигурацию системы можно, лишь выключив ACPI-режим. После его отключения для ручного изменения станут доступными некоторые прерывания и ресурсы, которые ранее конфигурировались только автоматически.
Клавиши ACPI
Клавиши, предусмотренные для управления электропитанием ПК, называют клавишами ACPI. Так, например, клавиатуры ВТС имеют клавиши: Power off (Выключение), Sleep (Засыпание) и Wake up (Включение).