Технология ACPI и Windows2000

ACPI. В последнее время эта аббревиатура всё чаще и чаще попадается на глаза. Расшифровывается она весьма просто, Advanced Computer Management and Interface, но что кроется за этой фразой, для многих остаётся загадкой. Системам управления питанием простые пользователи традиционно не уделяли особого внимания, руководствуясь мнением, что пара лишних киловатт, сожжённых в месяц, не имеют большого значения. Но, ACPI не является простым механизмом для экономии пары ватт энергии, его возможности гораздо шире, и при правильном использовании он способен коренным образом изменить пути и принципы взаимодействия пользователя и машины.

Начало истории развития систем управления питанием на ПК можно датировать 1989 годом, когда корпорация Intel выпустила процессор i386SL, в котором впервые была реализована возможность отключения процессора в случае его длительного бездействия. Почти сразу же появились и другие устройства, поддерживающие технологии SL, которые заняли свою нишу на рынке ноутбуков, превратив их в действительно мобильные устройства. Однако, SL работал только на уровне BIOS, без всякого взаимодействия с операционной системой, что приводило к определённым проблемам и неудобствам, главным из которых было невозможность для ОС определить, какие устройства отключены, что приводило к серьёзным неприятностям, вплоть до полного зависания системы при попытках ОС обратится к отключенному устройству.

Конечно же, такая ситуация не могла сохраняться долго, поэтому уже в 1991 Intel совместно с Microsoft разработали стандарт APM (Advanced Power Management), который предусматривал активное участие операционой системы в управлении питанием. Теперь, когда функции управления питанием перестали ограничиваться только BIOS, стало возможным реализовать гораздо более продвинутые алгоритмы упраления питанием. Например, с появлением APM стало возможным выключения питания по запросу ОС, что привело к появлению ATX форм-фактора. Кроме этого, стал возможным и обратный процесс, включения питания по запросу. Примером использования такой возможности может служить технология Wake on LAN, разработаная Intel совместно с IBM, которая позволяет включать ПК по сети, просто послав на сетевую карту так называемый "magic packet". Конечно, для этого сетевая карта, материнская плата, и BIOS должны поддерживать эту технологию.

Несмотря на впечатляющие возможности, APM не лишён серьёзных недостатков. APM способен только включать/выключать питание отдельных устройств, или всей системы в целом, его способность гибко реагировать на изменение ситуации ограниченна. Кроме этого, при разработке этого стандарта не учитывали темпов развития ПК и появления новых новых технологий на этом рынке. Например, APM не признаёт существование многопроцессорных систем, и, соответственно, реализовать поддержку APM на SMP (Symmetrical Multi Processor) машинах очень сложно, если вообще возможно.

Решением этих проблем, и логическим развитием APM, стало появление в 1997 году ACPI, разработаного совместно компаниями Intel, Toshiba и Microsoft. В настоящее время этот стандарт является последней разработкой в области управления питанием, в сейчас готовится версия 2.0 его спецификации. Так же как и APM, ACPI предпологает широкое участие ОС в управлении питанием системы, но не ограничивается только этим. Кроме управления питанием, ACPI охватывает ещё ряд вопросов управления системой. При запуске ACPI совместимой ОС, перехватываются некоторые функции BIOS (таких как APM BIOS PNPBIOS) и, кроме этого ACPI интерфейсу передаётся контроль над такими функциями как:

System Power management — ACPI получает контроль над такими функциями, как выключение системы, или перевод её в sleep mode.

Device Power Management — ACPI контролирует потребление питания всех устройств установленных в системе. Так же, он занимается переводом их с одного режима потребления питания на другой, в зависимости от требований ОС, приложений или пользователя.

Processor Power Management — при простаивании системы, ACPI позволяет переводить процессор в энегосберегающий режим, и выводить его из этого режима в случае необходимости.

Plug and Play — ACPI берёт на себя управление подключением и конфигурированием Plug and Play устройств. Кроме этого, в случает отключения устройства, ACPI определяет какие из оставшихся в системе устройств будут затронуты этим, и переконфигурирует их соответствующим образом.

System Events — ACPI предоставляет глобальный механизм наблюдения за системными событиями, такими изменение температурной политики, изменение статуса энергопотребления, подсоединение или отсоединение различных устройств, и т.д. Кроме этого, ACPI позволяет гибко настраивать, как система должна реагировать на эти события.

Battery Management — эта функция перешла к ACPI от APM систем, она контролирует заряд батарей, расчитывает, сколько времени система сможет поработать на этом заряде, предупреждает пользователя о необходимости перезарядить батареи. Кроме этого, ACPI требует от батарей поддержки Smart Battery, что позволяет ОС контролировать работу баттарей через CMBatt (Control Method Battery) интерфейс.

Thermal Management — кроме конторя питания, ACPI предоставляет возможность контролировать и управлять температурой различных компонетов системы. Для этого используются датчики температуры, и так называемые тепловые зоны.

Embedded Controller — ACPI предоставляет стандартный интерфейс для работы с вставленным контролёром. Этот контролёр управляет такими устройствами как, например, мышь и клавиатура.

System Management Bus Controller — ACPI предосталяет стандартыный интерфейс взаимодействия программного и аппаратного обеспечения с SMBus. Что, в свою очередь, позволяет OEM производителям предоставлять возможность ОС использовать особенности их продуктов в полной мере.

Как уже упоминалось, ACPI предоставляет возможность гибко реагировать на изменения в состоянии системы. Но для того, что бы реагировать на состояние системы, необходимо это состояние знать. Поэтому спецификация ACPI охватывает, кроме всего прочего, и устройства которые позволяют следить за системой.

Для управления и мониторинга системы, используются два вида объектов, это sensors (датчики) и watchdogs (если дословно, то сторожевые псы. Что это такое на самом деле, станет ясно из дальнейшего текста).

Датчики представляют из себя устройства, которые замеряют какой либо физический параметр. Вообще то видов датчиков существует великое множество, и сфера их применения весьма обширна, но для мониторинга состояния ПК, в настоящее время, обычно используются датчики следующих видов:

Thermal sensor — датчик температуры, соответсвенно, температуру он и измеряет.

Fan sensor — датчик вентилятора, или кулера, измеряет скорость вращения вентилятора.

Voltage sensor — датчик напряжения, измеряет напряжение эллектрического тока.

Конечно же, далеко не полный перечень датчиков, которые используются на ПК, существуют и более экзотические устройства, например Chassis Intrusion Sensor — датчик который позволяет определить, вскрыт корпус или нет.

Датчики делятся на два вида, числовые и основаные на статусе (status based). Числовой сенсор, снимает какое либо значение (температуру, частоту вращения вентилятора, и т.д.), и возвращает числовое значение. Исходя из природы измеряемого значения, такие сенсоры бывают числовыми и аналоговами. Типичным числовым сенсором является счётчик оборотов вентилятора, который абсолютно точно может сказать, сколько оборотов за определённое время делает вентилятор. Типичным аналоговым сенсором можно назвать датчик температуры, у которого появляются такие понятия как регулярность снятия значения (для датчиков температуры обычно это 1 секунда), верхний и нижний пределы диапазона измеряемых значений, и разрешение, которое сообщает с какой точностью производятся измерения.

Основаные на статусе сенсоры "видят" состояние устройства, и засекают изменение его статуса. К таким сенсорам относится, например, Chassis intrusion sensor, который сигнализирует о вскрытии корпуса. Минимально сенсор основаный на статусе может генерить два различных бита (так называемый бинарный сенсор) которые имеют два значения (хорошо/плохо), максимально — до 32. Согласно спецификации, первые 16 битов определяются как стандартные, и имеют следующие значения:

Из оставшихся 16 битов, 15 (16-30) могут быть использованы различными производителями для своих специфических нужд. Последний возможный бит зарезервирован, и интерпритируется как неизвестный статус.

ACPI предусматривает использование основаных на статусе числовых сенсоров. Такие устройства определяют статус исходя из показаний числового сенсора, то есть, при превышении значений показываемых числовым сенсором каких либо границ, меняется статус наблюдаемого устройства. Такие сенсоры так же могут генерить 32 различных вита, 16 из которых интерпритируются как стандартные границы, только распределяются они по другому, чем у простых сенсоров основаных на статусе.

Примером практической реализации подобной технологии, может служить технология Smart Doctor, применяемая Asus в своих видеокартах серии Asus6xxx, которая делает выводы о состоянии карты исходя из показаний термодатчика, и заранее заданых значениях температуры чипа, при которых карта может перестать нормально работать.

Кроме этого, для основаных на статусе числовые сенсоры, предусмотрено такое понятие, как допуск (hysteresis), который служит для предотвнащения лишних срабатываний сенсора. Допуск всегда отрицательный для верхних пределов, и всегда положительный для нижних пределов. На нижеприведённой схеме, можно ознакомиться с принципом его работы:

Как видно из схем, в этом случае, датчик без допуска выдал шесть сообщений о изменении статуса устройства, в то время как с допуском, всего два.

Watchdog — устройства, которые следить за состоянием системы, основываясь на аппаратных таймерах. Такие устройства способны отслеживать зависания системы, и обычно распределяются так:

System Initialization Failure Watchdog. Ошибка при инициализации системы. Это ошибки кототрые возникают при инициализации основных компонентов системы, таких как центральный процессор, опреративная память, и т.д..

Pre-Os Boot Failure Watchdog. Ошибка при загрузке BIOS. Способен обнаружить, и среагировать на ошибки которые возникают в промежутке времени, аппаратное обеспечение компьютера уже инициализировалось, и идёт подготовка к загрузке ОС.

OS Boot Failure Watchdog. Обнаруживает зависаниее системы в процессе загрузки операционой системы.

OS Hang Watchdog. Обнаруживает зависания операционой системы.

Shutdown Failure Watchdog. Обнаруживает зависания в процессе выключения системы.

Согласно спецификации, существует 32 варианта, которыми любой из выше перечисленных watchdog может среагировать на обнаруженные проблемы:

Может использоваться ещё один класс подобных устройств, Heartbeat Watchdogs. Это устройство регулярно проверяет наличие чего либо. Например, LAN Presence Heartbeat Watchdog регулярно проверяет наличие сети.

32 возможных значения генерируемых им битов выглядят так:

Все эти устройства уже давно применялись для мониторинга состояния системы, но с появлением ACPI появилась возможность более гибкого управления системой на основе их показаний. Главным инструментом, который для этого используется, является AМL (ACPI Machine Language) и ASL (ACPI Source Language). AML представляет собой машинный язык, а ASL это его более понятный для человека собрат, на которых можно писать скрипты (скрипт написаный на ASL компилируется в AML), которые будут управлять системой, в зависимости от показаний датчиков, и watchdog, и управлять датчиками и watchdog в зависимости от состояния системы. Примером подобного взаимодействия, могут служить thermal zone (температурные зоны). Температурная зона управляет скоростью вращения вентилятора, или режимом работы другого охлаждающего устройства, в зависимости от температуры охдаждаемого объекта. В зависимости от типа охлаждающего устройства, температурные зоны деляться на активные и пассивные. В активных зонах, как легко можно догадаться, используются активные охлаждающие устройства, такие как вентиляторы, скоростью вращения которых можно управлять. В пассивных зонах используется пассивное охлаждение, и управление температурой сводится, как правило, к понижению напряжения перегревшегося устройства.

Кроме этого, возможности ACPI позволяют пользователю самому задавать температурные и другие режимы, в зависимости от текущих потребностей. Например, если пользователь работает в каком либо текстовом редакторе, и не нуждается в излишней процессорной мощности, он может перевести систему в состотяние Silence, при котором выключатся все активные кулеры, понизится напряжение на все ненужные устройства, центральный процессор перейдёт на более низкую тактовую частоту, и т.д. Производительность компьютера упадёт, так же как и потребление энергии, но того что останется с лихвой хватит для весьма обширного списка задач. Или же, пользователь может перевести систему в состояние Performance, когда знает, что задача которая перед ним стоит требует максимальной отдачи от машины.

Кроме всего вышеперечисленного, с помощью ASL координируется работа различных устройств и сенсоров, что бы предовращать ложные срабатывания. Неправильнее сообщения о ошибках может провоцировать целый ряд ситуаций, например таких как:

Когда в пределах политики температурной зоны уменьшается скорость вращения, или вовсе отключается вентилятор, то это может привести к сигналу от fan sensor, о недопустимо малой скорости вращения вентилятора. C помощью ASL это можно предовратить, отключив этот датчик когда температурная зона потребует снизить частоту вращения вентилятора ниже порогового значения, на которое настроен датчик. И соответственно, датчик снова будет включен, когда потребутеся поднять скорость вращения вентилятора.

Когда система переводится в энергосберегающий режим, OS Hang Watchdog который следит за тем, повисла система или нет, может принять длительное бездействие за зависание. Поэтому, он должен быть отключен перед входом системы в этот режим, и включен обратно, когда система выйдет из этого режима.

Все датчики и watchdogs общаются с системой через SMBus. Попытка нескольких устройств одновременно обратится к ней, способна привести к длительным задержкам, или повреждению передаваемых данных что, в свою очередь, может привести к неправильной интерпретации этих данных системой. ACPI предусматривает синхронизацию доступа к SMBus, что предотвращает подобную ситуацию.

Но это всё теория, а как дело обстоит с практической реализацией этой самой теории? Несмотря на 3 года, прошедшие с времени появления первой спецификации, нельзя сказать что большинство ПК поддерживают её в полной м

Для реализации ACPI на конкретной машине, обязательно должно выполняться несколько условий. Во первых, машина должна аппаратно соответствовать всем требованиям, предявляемым ACPI, она должна иметь набор датчиков и watchdogs, которые работают в соответсвии с спецификацией ACPI, и т.д.

Во вторых она должна иметь ACPI-совместимый BIOS, через который и будет работать AML. К сожалению, эти требования выполняются далеко не всегда, и наличие в BIOS пункта ACPI Enabled/Disabled абсолютно ничего не гарантирует.

В третьих, операционная система так же должна поддерживать ACPI. Из всех систем доступных на рынке, наиболее полной интеграцией с ACPI обладает недавно вышедшая Windows 2000.

В четвёртых, устройсва установленные на машине должны позволять управлять собой через AML, и иметь драйвера которые AML понимают.

В состав Windows 2000 входят два системных ядра, которые специально предназначенны для ACPI совместимых машин. Это ACPI Uniprocessor PC и ACPI Multiprocessor PC. Второе зачастую является единственным способом получить на многопроцессорных системах полный набор функций по управлению питанием, в частности такую удобную функцию как автоматическое выключение машины. Однако, даже здесь не всё так просто. При установке ACPI ядра, все остальные устройства в системе подключаются через ACPI, в чём можно легко убедиться разсортировав их в Device Manager "By Connection":

В связи с этим, могут возникнуть некоторые проблемы. В частности, если ваша система всё таки не полностью совместима с ACPI (например на уровне BIOS), то при установке ACPI ядра система просто откажется загружаться, в любых режимах, в том числе и в Safe Mode, и через заранее сохранёные Hardware Profile. Загрузка остановится сразу же после старта начального загрузчика (он загружается когда на чёрном фоне заполнятеся полоска внизу экрана).

Более того, даже наличие полностью совместимой с ACPI системы не гарантирует загрузку Windows 2000 после смены ядра на ACPI xxxprocessor PC. Причина этого в том, что, не все устройства смогут правильно инициализироваться через ACPI ядро, или не все из них будут иметь ACPI совместимые драйвера. Результатом этого могут быть самые разнообразные сообщения об ошибках, наиболее частым из которых является "Inaccessible boot device" (недоступен загрузочный диск). Поэтому, прежде чем бросаться менять ядро на ACPI, обеспечте себе возможность загрузки с старым ядром. И, если система пройдёт этап начальной загрузки, и "умрёт" уже после прорисовки цветной картинки, которая сопрождает каждую загрузки Windows 2000, значит с большой долей вероятности система совместима с ACPI. Но, что бы заставить его номально работать, придётся переставлять всю систему. При этом, во время инсталяции обязательно должны быть разрешенны ACPI функции в BIOS. В этом случае, система самостоятельно, уже в процессе инстляции определит что система совместима с ACPI, и все устройсва будут устанавливаться с учётом этого факта.

Для определения степени совместимости вашей системы с ACPI можно воспользоваться тестовыми программами предлагаемыми Microsoft для этой цели. Найти их можно по адресу: www.microsoft.com/hwdev/acpihct.htm

Если окажется, что ваша система не прошла ни одного из этих тестов, то придётся обратится к производителю материнской платы, часто эта проблема решается прошивкой нового BIOS. К сожалению, далеко не все производители имеют ACPI-совместимые BIOS, а даже когда имеют, это не всегда гарантирует хорошую работу. Например, подобная ситуация сложилась с популярной Abit BP6. Уже довольно давно существовали ACPI-совместимые бета-BIOS, но только в середине апреля вышла официальная версия. Найти его можно по адрессу ftp://ftp.abit.com.tw/pub/bios/, называется он bp6qq.exe. Его использоване, это единственная возможность получить поддержку Power Management, в частности отключение питания по запросу, на этой матери в мультипроцессорном режиме. Однако, при его применении многие пользователи столкнулись с рядом проблем. Во первывых, это постоянная 50% загрузка CPU Usage в ACPI режиме (и это на двухпроцессорной системе!), и, как следствие, постоянно повышенная температура процессоров (в среднем на 15-20 градусов выше, по сравнению с не ACPI режимом). Только во второй половине мая вышел очередной официальный BIOS для BP6 — BP6_RU.bin, в котором эта проблема решена. К серьёзным достоинствам официальных версий BIOS можно отнести только наконец то нормально заработавшую поддержку технологии OnNow на AbitBP6.

Разработкой и идеологией OnNow занимается Microsoft, и именно ОnNow считается одним из наиболее заметных преимуществ, которые получает пользователь от ACPI. Основная идея, которая лежала при разработке этой системы, проста. Компьютер должен быстро переходить в энергосберегающий режим, и так же быстро, без продолжительной процедуры загрузки ОС, из его выходить, по нажатию кнопки, движению мыши, телефоному звонку, обращению по локальной сети, запросу программы, изменению какого либо из статусов, или показаний каких либо датчиков, и т.д.. Причём, после выхода из энегроссберегающего режима пользователь должен получить такое же состояние машины, как и до перхода в этот режим, со всеми открытыми приложениями, документами, готовыми для редактирования на том же месте на котором была остановленна работа, интернет-бройзером открытом на том же сайте, которой был открыт в момент перевода системы в спящий режим, и т.д..

Для упорядочения этих процессов, с точки зрения OnNow существует три состояния, в котором может пребывать система:

Working — Система в работе, все устройства находятся в нормальном рабочем режиме, и доступны немедленно.

Sleeping — Система не работает, потребление энергии сильно сниженно, но система может перейти в рабочий режим в очень короткий промежуток времени.

Soft Off — Система не работает, потребление энергии минимально, переход в рабочийй режим потребует полного цикла загрузки BIOS и OC.

Конечно же, система должна легко переходить из одного состояния в другое по требованию пользователя, ОС, програмного или аппаратного обеспечения. Это должно обеспечить возможность такого взаимодействия человека и машины, которое было невозможно до этого. Полностью поддерживающая ACPI и OnNow машина способна самостоятельно принимать/отправлять факсы и электроную почту, она способна самостоятельно включаться и реагировать на изменению каких либо внешних условий, зарегистрированых одним из подключенных к системе датчиков, и т.д..

Кроме этого, если человеку необходимо отойти от рабочего места на незначительное время (например для… вариантов слишком много, вставте нужный самостоятельно), он может перевести машину в Sleep режим, и по возвражещению получить полностью рабочую машину, с уже открытыми приложениями и документами, над которыми он работал, за несколько секунд, без длительного ожидания пока система загрузится. Для этого служит функция Stand by, которая становится стандартной для всех современых ОС. Выход из Stand By возможен по нажатию клавиши мыши, по движению мыши, понажатию кнопки на клавиатуре, и ещё ряду факторов. Определяется это, как правило, в BIOS, раздел Power options. Переход в Stand by обычно производится выбором соответствующего пункта из меню появляющегося при выключении машины. Кроме этого, в последнее время появляется всё больше корпусов, на которых есть кнопка Sleep, которая позволяет вводить/выводить систему в энергосберегающий режим одним нажатием. Однако, далеко не все корпуса обладают подобной функцией, но благодаря гибкости, которую предоставляет ACPI для управления системой, в Windows 2000 возможно запрограмировать кнопку включения питания (которая есть на всех корпусах), что бы машина переходила в Stand by при нажатии на её:

Отличием режима hibernate от stand by является полное выключение питания (хотя, на ATX корпусах для действительно полного выключения питания необходимо выключить компьютер из розетки, в противном случае, даже в режиме Power off всё равно подаётся +5V "дежурного" питания на материнскую плату, которое обеспечивет возможность изменения состояния системы под воздействием внешинх факторов, режим Soft off) , и соответственно, при запуске приходится ждать пока пройдёт почти вся процедура загрузки системы. Полностью проходит процедура загрузки BIOS, но функция загрузки ОС ускоренна, в оперативную память загружатеся сохранённый "снимок", и всё. Таким образом, если функция Stand by удобна при кратковременном отлучении от системы, то функция hibernate больше подойдёт при долговременном отсуствии, например в конце рабочего дня. Но, при использовании эитх функций необходимо помнить, что из hibernate и stand by машина, по умолчанию, загружается минуя стандартные процедуры индентификации пользователя. Что бы этого не произошло, следует отметить чекбокс "Promt for password when computer goes off standby." Эта опция работает как для режима Stand by, так и для Hibernate, и не позволяет включить систему не зарегистрировавшись в ней.

К сожалению, функции управления питанием пока что не являются приоритетом при разработке аппартного обеспечения и драйверов дя настольных ПК (в отличии от мобильных систем), поэтому некоторые, а иногда и все, функции про которые рассказано в статье могут не работать на конкретных системах, по самым различным причинам, от некорректного драйвера или BIOS, до полной аппаратной несовместимости с ACPI. Но, ситуация постепенно меняется к лучшему, и при разработке новых устройств и драйверов соответствиям требованиям ACPI уделяется всё большее и большее внимание.