プロセッサーの動作電圧を下げるか、拡張Intel SpeedStepを調整する

最新のデスクトップおよび（特に）モバイルプロセッサは、ODCM、CxE、EISTなどの多くの省エネ技術を使用しています。今日、おそらくそれらの最高レベルに関心があるでしょう：動作中のプロセッサコアの周波数と電圧の柔軟な制御-Cool 'n 「静かで、PowerNow！ AMDおよびEnhanced SpeedStep（EIST）Intel。

ほとんどの場合、コンピューターまたはラップトップユーザーは、BIOSおよび/またはオペレーティングシステムで特定のテクノロジーのサポートを有効（チェック）するだけで十分です。 この記事では、オペレーティングシステムからプロセッサコアの動作電圧を制御する方法（例としてIntel Pentium MとFreeBSDを使用）と、これが必要な理由について説明します。

多数のマニュアルがあるにもかかわらず、特にロシア語では、エンドユーザーではなくオペレーティングシステムの観点からEnhanced SpeedStepテクノロジーの詳細な説明を見つけることはめったにないため、記事の大部分は実装の詳細に当てられており、本質的にある程度理論的です。

この記事がFreeBSDユーザーだけでなく、GNU / Linux、Windows、およびMac OS Xにも役立つことを願っています。ただし、この場合、特定のオペレーティングシステムが二次的に重要になります。

まえがき

昨年、古いラップトップのプロセッサをアップグレードしました。標準の735の代わりにPentium M 780をインストールしました。いわば、最大に達しました。 ラップトップは負荷がかかるとさらに熱を発し始めました（発熱量が10ワット増加したため）。 私はこれにあまり注意を払いませんでした（念のためクーラーを掃除してオイルを塗ったことを除いて）が、ある晴れた日、長いコンパイル中にコンピューターがオフになりました（温度が100度に達しました）。 システム変数hw.acpi.thermal.tz0.temperature値をトレイに推測して、温度を監視し、その場合、時間内に「難しい」タスクを中断します。 しかし、しばらくして警戒心を失い（温度は常に正常範囲内にとどまりました）、すべてが繰り返されました。 この時点で、長時間のCPU負荷中に停電を常に恐れたり、Ctrl-Cに手を触れたり、プロセッサを強制したりする必要はもうないと決めました。

通常、公称電圧の変化は、オーバークロック中（つまり周波数を上げた状態）にプロセッサの安定した動作を確保するための電圧の増加を意味します。 大まかに言うと、各電圧値は動作可能な特定の周波数範囲に対応し、オーバークロッカーのタスクは、プロセッサがまだ「バギー」になっていない最大周波数を見つけることです。 私たちの場合、タスクはある意味で対称的です。既知の周波数（より正確には、すぐに一連の周波数を見つけるため）で、CPUの安定した動作を保証する最低電圧を見つけます。 パフォーマンスが低下しないように動作周波数を下げたくありません。ラップトップはすでにトップエンドからはほど遠い状態です。 さらに、電圧を下げることはより有益です。

理論のビット

ご存知のように、プロセッサの熱放散はその容量、周波数、および電圧の2乗に比例します（なぜそうなのか疑問に思う人は、プロセッサを一連の基本的なCMOSインバーター （論理ネガ）と見なすか、リンクをたどって1、2、3のいずれかに依存することで、独自の依存関係を導き出すことができます）

最新のモバイルプロセッサは最大50〜70ワットを消費する可能性があり、最終的には熱に放散されます。 これは非常に多く（白熱電球のようなものです）、特にオフラインのときに負荷がかかっているブタのオレンジのようなバッテリーを「食べる」ラップトップにとっては。 限られたスペースの条件では、熱を積極的に除去する必要があります。これは、冷却ファン（場合によっては複数）の回転のための追加のエネルギー消費を意味します。

当然、この状況は誰にも適しておらず、プロセッサメーカーは電力消費（および、それに応じて熱伝達）を最適化し、同時にプロセッサの過熱を防ぐ方法を考え始めました。 興味のある人には、Dmitry Besedinの注目すべき 記事を たくさん読むことをお勧めします。その間、私はそのポイントに直接行きます。

ちょっとした歴史

SpeedStepテクノロジー（バージョン1.1）は、第2世代の第3ペンティアム（.18ミクロンプロセステクノロジーを使用して製造されたCoppermineモバイルラップトップ、2000）で初めて登場しました。これは、コンピューターの負荷または電源（メインまたはバッテリー）に応じて、高低を切り替えることができます可変乗数による周波数。 エコノミーモードでは、プロセッサは約半分の電力を消費しました。

.13ミクロンの技術プロセスへの移行により、このテクノロジーはバージョン番号2.1を受け取り、「強化」されます-プロセッサーは、周波数だけでなく電圧も下げることができます。 バージョン2.2はNetBurstアーキテクチャへの適応であり、3番目のバージョン（Centrinoプラットフォーム）への技術は正式にEnhanced Intel SpeedStep（EIST）と呼ばれます。

バージョン3.1（2003）は、第1世代および第2世代のPentium Mプロセッサ（BaniasおよびDothanコア）で最初に使用されました。 周波数は、ベースの40％から100％の間で（最初は2つの値の間でのみ切り替えられます）、100 MHz（Baniasの場合）または133 MHz（Dothanの場合）の増分で変化しました。 同時に、Intelは動的な第2レベル（L2）のキャッシュ容量管理を導入しており、これにより消費電力をより最適化することができます。 バージョン3.2（Enhanced EIST）は、共通のL2キャッシュを備えたマルチコアプロセッサへの適応です。 （SpeedStepテクノロジーに関する Intelの小さなFAQ 。）

さて、盲目的に多数のハウツーとチュートリアルに従うのではなく、 pdfをダウンロードし、ESTがどのように機能するかを理解してみてください（この略語はより普遍的で短いため、引き続き使用します）。

ESTはどのように機能しますか？

そのため、ESTを使用すると、プロセッサのパフォーマンスと消費電力を、動作中に動的に制御できます。 プロセッサの動作パラメータを変更するために（チップセット内の）ハードウェアサポートを必要とした初期の実装とは異なり、ESTではソフトウェア 、つまり BIOSまたはオペレーティングシステム、負荷、コンピューター電源の種類、CPU温度、OS設定（ポリシー）に応じて、乗数（バス周波数に対するプロセッサ周波数の比率）およびコア電圧（V _cc ）を変更します。

動作中、プロセッサはいくつかの状態（電源状態）の1つにあります：T（スロットル）、S（スリープ）、C（アイドル）、P（パフォーマンス）、特定のルール（ ACPI 5.0 仕様の 386ページ）に従って切り替えます。



システムに存在する各プロセッサは、DSDTテーブル、ほとんどの場合\_PRに記述される必要があり、通常、オペレーティングシステム（PMドライバー）と対話し、プロセッサーの機能（ _PDC 、 _PPC ）を説明する多くのメソッドを提供します、サポートされている状態（ _CST 、 _TSS 、 _PSS ）およびそれらの管理（ _PTC 、 _PCT ）。 各CPUに必要な値（いわゆるCPUサポートパッケージに含まれている場合）は、マザーボードのBIOSによって決定され、マシンの起動時に対応するテーブルとACPIメソッド（p。11 pdf）に記入されます。

ESTはPステートでプロセッサを制御します。これらは私たちにとって興味深いものです。 たとえば、Pentium Mは、電圧と周波数が異なる6つのP状態（図1.1および表1.6のPDFを参照）をサポートしています。



一般的なケースでは、プロセッサが事前にわからない場合、プロセッサの動作の信頼性が高い（または推奨される）唯一の方法はACPIです。 コマンドラインから直接含むなど、MSR（モデル固有レジスタ）レジスタを介してACPIをバイパスし、特定のプロセッサと直接対話できます。バージョン7.2以降、FreeBSDではcpucontrol(8)使用されます。

プロセッサがESTをサポートしているかどうかを確認するには、レジスタIA_32_MISC_ENABLE 16番目のビット（0x1A0）を調べて、設定する必要があります。

 # kldload cpuctl # cpucontrol -m 0x1a0 /dev/cpuctl0 | (read _ msr hi lo ; echo $((lo >> 16 & 1))) 1 

GNU / Linux用の同様のコマンド（msr-toolsパッケージが必要）：

 # modprobe msr # echo $((`rdmsr -c 0x1a0` >> 16 & 1)) 1 

IA32_PERF_CTLレジスタ（0x199）への書き込み時に状態間の遷移が発生します。 動的に更新されるレジスタIA32_PERF_STATUS （0x198）を読み取ることで、現在の動作モードを確認できます（表1.4 pdf）。 将来、簡潔にするためにIA32_プレフィックスを省略します。

まず、 PERF_STATUS現在の値を読み取ってみPERF_STATUSう。

 # cpucontrol -m 0x198 /dev/cpuctl0 MSR 0x198: 0x0612112b 0x06000c20 

ドキュメントによると、現在の状態は下位16ビットでエンコードされます（コマンドを数回実行すると、値が変わる可能性があります-これはESTが機能していることを意味します）。 他のビットをよく見ると、それらは明らかにゴミではありません。 グーグル、あなたは彼らが何を意味するかを見つけることができます 。

レジスタ構造PERF_STATUS

PERF_STATUSから読み取られたデータは、次の構造で表されます（データがリトルエンディアンとして保存されていると仮定します）。

 struct msr_perf_status { unsigned curr_psv : 16; /* Current PSV */ unsigned status : 8; /* Status flags */ unsigned min_mult : 8; /* Minimum multiplier */ unsigned max_psv : 16; /* Maximum PSV */ unsigned init_psv : 16; /* Power-on PSV */ }; 

3つの16ビットフィールドは、いわゆるパフォーマンスステート値（PSV）です。PSVの現在の値、最大値（プロセッサに依存）、およびシステムの開始時の値（オンの場合）について、以下の構造を検討します。 現在の値（curr_psv）は、動作モードが変わると明らかに変化します。最大値（max_psv）は通常一定のままであり、開始値（init_psv）は変わりません。原則として、デスクトップとサーバーの最大値に等しく、モバイルCPUの最小値です。 Intelプロセッサの最小乗数（min_mult）は、ほとんど常に6です。 ステータスフィールドには、たとえばESTイベントまたはTHERMイベントの発生時（つまり、それぞれP状態の変更時またはプロセッサのオーバーヒート時）に、いくつかのフラグの値が含まれます。

PERF_STATUSレジスタの64ビットすべての目的がわかったので、上記で読み取ったワードを解読できます： 0x 0612 112b 0x 06 00 0c20⇒開始時のPSV 0x0612、最大値0x112b、最小係数6（予想どおり）、フラグリセット、現在値PSV = 0x0c20。 これらの16ビットは正確に何を意味しますか？

パフォーマンス状態値（PSV）構造

プロセッサの動作モードが設定されるのはこの形式であるため、PSVがどのようなものかを知って理解することは非常に重要です。

 struct psv { unsigned vid : 6; /* Voltage Identifier */ unsigned _reserved1 : 2; unsigned freq : 5; /* Frequency Identifier */ unsigned _reserved2 : 1; unsigned nibr : 1; /* Non-integer bus ratio */ unsigned slfm : 1; /* Dynamic FSB frequency (Super-LFM) */ }; 

動的FSB周波数切り替えは、1秒おきにFSBサイクルをスキップすることを示します。 動作周波数を半分にします。 この機能は最初にCore 2 Duoプロセッサ（Meromコア）に実装され、非整数バス比（一部のプロセッサでサポートされる特別なモード）は影響を受けません。名前が示すように、周波数をより細かく制御できます。

ESTテクノロジー自体に関連する2つのフィールドは、係数に数値的に等しいFrequency Identifier（Fid）と、電圧レベルに対応するVoltage（Identifier、Vid）です（通常、最も文書化されていない）。

電圧識別子

Intelは、各プロセッサの電圧識別子がどの程度正確にエンコードされているかに関する情報（通常はNDAに署名するために必要です） を開示することを非常に嫌っています。 しかし、ほとんどの一般的なCPUでは、幸いなことに、この式は知られています。 特に、Pentium M（および他の多く）の場合：V _cc = Vid ₀ +（Vid×V _step ）、ここでV _ccは現在の（実際の）電圧、Vid ₀はベース電圧（Vid == 0の場合）、V _ステップ -ステップ。 いくつかの一般的なプロセッサの表（すべての値はミリボルト）：

CPU	Vid 0	V ステップ	V ブート	V 分	V max
ペンティアムM	700,0	16,0	xxxx、x	xxx、x	xxxx、x
E6000、E4000	825.0	12.5	1,100.0	850,0	1,500.0
E8000、E7000	825.0	12.5	1,100.0	850,0	1362.5
X9000	712.5	12.5	1,200.0	800,0	1325.0
T9000	712.5	12.5	1,200.0	750.0	1300.0
P9000、P8000	712.5	12.5	1,200.0	750.0	1300.0
Q9000D、Q8000D	825.0	12.5	1,100.0	850,0	1362.5
Q9000M	712.5	12.5	1,200.0	850,0	1300.0

乗数（つまりFid）は左に8ビットシフトされたPSVに書き込まれ、下位6ビットはVidによって占有されます。 なぜなら 私たちの場合、残りのビットは無視することができ、PSV、プロセッサ周波数、システムバス、物理電圧は簡単な式で接続されます（Pentium Mの場合）：


次に、制御レジスタ（ PERF_CTL ）を検討します。 書き込みは次のように行う必要があります。最初に現在の値が読み取られ（64ビットワード全体）、必要なビットが変更され、レジスタに書き込まれます（いわゆるread-modify-write）。

レジスタ構造PERF_CTL

 struct msr_perf_ctl { unsigned psv : 16; /* Requested PSV */ unsigned _reserved1 : 16; unsigned ida_diseng : 1; /* IDA disengage */ unsigned _reserved2 : 31; }; 

IDA（Intel Dynamic Acceleration）disengage-bitを使用すると、Intel Core 2 Duo T7700以降のプロセッサで適応（日和見的）周波数制御を一時的に無効にできます-繰り返しますが、興味はありません。 下位16ビット（PSV）は、プロセッサに切り替えるように「求める」モードです。

_PSSテーブル

_PSSテーブルは、状態の配列（ACPI用語ではパッケージ ）またはそのような配列を返すメソッドです。 各状態（P状態）は、次の構造（ACPI仕様の409ページ）によって決定されます。

 struct Pstate { unsigned CoreFrequency; /* Core CPU operating frequency, MHz */ unsigned Power; /* Maximum power dissipation, mW */ unsigned Latency; /* Worst-case latency of CPU unavailability during transition, µs */ unsigned BusMasterLatency; /* Worst-case latency while Bus Masters are unable to access memory, µs */ unsigned Control; /* Value to be written to the PERF_CTL to switch to this state */ unsigned Status; /* Value (should be equal to the one read from PERF_STATUS) */ }; 

したがって、各P状態は、何らかの動作コア周波数、最大消費電力、通過遅延（実際、これはCPUとメモリが使用できない状態間の遷移時間です）、最後に最も興味深いのは、この状態に対応するPSVです。この状態（制御）に移行するには、 PERF_CTLに書き込む必要があります。 プロセッサが新しい状態に正常に移行したことを確認するには、 PERF_STATUSレジスタを読み取り、ステータスフィールドに記録された値と比較する必要があります。

オペレーティングシステムのESTドライバは、一部のプロセッサ、つまり ACPIサポートなしでそれらを管理できるようになります。 しかし、これは、特に最近では珍しいことです（バージョン2.6.20より前のLinuxでの負荷が低いため、ドライバーのテーブルにパッチを適用する必要があり、2011年にはこの方法が非常に一般的でした）。

_PSSテーブルと不明なプロセッサがなくてもESTドライバーが機能することは注目に値します。 最大値と最小値はPERF_STATUSから学習できます（この場合、明らかに、P状態の数は2つに縮退しています）。

十分な理論。 これらすべてをどうするか？

1）必要なMSRワードのすべてのビットの目的、2）PSVがプロセッサ用に正確にエンコードされる方法、3）DSDTで必要な設定を探す場所がわかったので、 デフォルトで周波数と電圧のテーブルをコンパイルします 。 DSDTをダンプし、 _PSSテーブルを_PSSます。 Pentium M 780の場合、次のようになります。


したがって、各PレベルのデフォルトのVidは43、37、32、28、23、18であり、1388 mVから988 mVの電圧に対応しています。 低電圧の本質は、これらの電圧がプロセッサの安定した動作に本当に必要な電圧よりも確実にわずかに高いことです。 「許可されるものの制限」を判断してみましょう。

このための単純なシェルスクリプトを作成しました。このスクリプトは、Vidを徐々に下げ、単純なループを実行します（もちろん、その前にpowerd(8)デーモンを設定する必要があります）。 したがって、プロセッサーが少なくともハングしない電圧を決定し、Super Piテストを実行してカーネルを数回再構築しました。 後で、2つの最大周波数のVid値をもう1ポイント上げました。そうしないと、不正な命令エラーによりgccがクラッシュすることがあります。 数日間にわたるすべての実験の結果、次の「安定した」Vidのセットが得られました：30、18、12、7、2、0。

結果分析

最小安全応力を経験的に決定したので、それらを最初の応力と比較することは興味深いです：

周波数、MHz（乗数）	古いビデオ	Vid new	V ccを変更
2267（17）	43	30	-15％
1867（14）	37	18	-24％
1600（12）	32	12	-26％
1333（10）	28	7	-29％
1067（8）	23	2	-31％
800（6）	18	0	-29％

最大電圧を15％下げても、かなり明確な結果が得られました。長時間の負荷がプロセッサーの過熱や緊急シャットダウンを引き起こさないだけでなく、温度が80°Cを超えることはほとんどありません。 acpiconf -i 0よると、「オフィス」モードでの予測バッテリー寿命は1時間40メートルから2時間25メートルに増加しました（それほどではありませんが、リチウムイオン電池は時間が経つと「疲れる」ため、 7年前にラップトップを購入して以来、バッテリーを交換していません。）

次に、設定を自動的に適用する必要があります。 たとえば、 cpufreq(4)ドライバーを変更して、PSV値がACPI経由ではなく、独自のテーブルから取得されるようにすることができます。 しかし、システムを更新するときにドライバーにパッチを適用する必要がある場合でも、これはすでに不便です。実際、ソリューションというよりは汚いハックのように見えます。 おそらくpowerd(8)パッチを当てることができますが、これは同じ理由で悪いことです。 MSRに直接書き込むことで電圧を下げることでスクリプトを実行することができます（実際、「安定した」電圧を決定するために行いました）。その後、状態間の遷移（P状態だけでなく、一般的に、ラップトップがスリープ状態のままになるとき）。 同じではありません

ACPIを介してPSV値を取得する場合、DSDTの_PSSテーブルを変更するのが最も論理的です。 幸いなことに、このためにBIOSを選択する必要はありません。FreeBSDはファイルからDSDTをロードできます（HabréのACPIテーブルの変更についてはすでに書いているので、ここでは詳しく説明しません）。 DSDTの必須フィールドを置き換えます。


新しいAMLファイル（ACPIバイトコード）をコンパイルし、 /boot/loader.confを変更して、FreeBSDがデフォルトのDSDTではなく変更したDSDTをロードするようにします。

 acpi_dsdt_load="YES" acpi_dsdt_name="/root/undervolt.aml" 

それは、一般に、すべてです。 唯一のものは、プロセッサを変更する場合、 /boot/loader.confこれら2行をコメント化することを忘れないでください。

公称電圧を下げない場合でも、プロセッサの状態（P状態だけでなく）の制御を構成する機能が役立つ場合があります。 結局のところ、BIOS曲線がテーブルを誤って「完全に」埋めない、またはまったく埋めないことがよくあります（たとえば、ESTをサポートしないceleronがあり、製造元が公式にその代替品を提供していないため）。 この場合、すべての作業を自分で行う必要があります 。 _PSSテーブルを追加する_PSSは十分_PSSはないことに注意してください。 たとえば、C状態は_CSTテーブルによって定義され、さらに、制御手順自体（パフォーマンス制御、 _PCT ）を記述する必要がある場合があります。 幸いなことに、これはACPI仕様の8番目の章で説明されている例とともに、シンプルでかなり詳細です。

GNU / Linuxの低電圧化

実のところ、最初はGentoo Undervolting Guideを読んでFreeBSDに適合させるだけで十分だと思いました。ドキュメントは非常に愚かであることが判明したため、これはそれほど単純ではありませんでした（実際にはGentoo Wikiにとって奇妙です）。残念なことに、彼らの新しいサイトでは似たようなものは見つかりませんでした。古いコピーに満足しなければなりませんでした。また、このガイドの関連性がほとんど失われていることは理解していますが、それでも少し批判しています。 :-)

何らかの理由で、すぐに、戦争を宣言せずに、カーネルにパッチを適用するように提案されました（FreeBSDでは、システムコードはありません変更する必要はありませんでした）。ドライバー内部にハンマーを打つか、特定の「安全な」電圧の値を一部の初期化スクリプトに記述します。特別なテーブル（Pentium M 780は、疑問符のみで構成される行でモックされて表されます）アドバイスに従ってください。その中には、自分が何について話しているのか明確に理解していない人々によって書かれています。そして最も重要なことは、これらのいくつかの数字を他の数字に魔法のように置き換えることがなぜ機能し、どのように正確に機能するかは完全に不明です。カーネルにパッチを適用して再構築する前にESTに「タッチ」する方法は提案されていません。MSRの登録とコマンドラインからの操作については言及されていません。 ACPIテーブルの変更は、代替のより好ましいオプションとは見なされません。

ThinkWikiには若干優れたガイドがあります（およびより新しい）、しかし大したことではありません。ArchWiki ページはさらに簡潔に見えます。このラインは特に以下を提供します：

 # echo 34 26 18 12 8 5 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/phc_vids 

そのため、彼らは「4、8、15、16、23、42」というロストを要求します（ただし、逆の順序で、冗談をいくらか台無しにします）。

おそらく、Pat ErleyによるLinuxのプロセス全体の最も賢明な説明は、上記のリンクです。

WindowsおよびMac OS Xの低電圧化

Windowsについて話すことは意味がありません。フォーラムにはソフトウェアやディスカッションがありますので、ここに リンクをいくつか残しておきます。

MakosはACPIと非常に密接に相互作用（および正常に動作することを期待）し、テーブルの変更は特定のハードウェア用にセットアップする主な方法の1つです。したがって、最初に頭に浮かぶのは、同じ方法でDSDTをダンプ して パッチを適用することです。代替方法：google://IntelEnhancedSpeedStep.kextたとえば、one、two、three。

別の「素晴らしい」ユーティリティ（残念ながら、すでに時代遅れ）は、電圧と周波数を変更する機能を10ドルで購入することを提案しています。 :-)

他に読むもの

FreeBSDの場合：フォーラムトピック、およびメーリングリストでの悪名高い議論。コンビニエンスためのアレクサンダーMotinaの頭文字vikifitsirovano。Linuxの場合、ArchWikiの優れた記事から始めることができます。

だテキストリンクに記載されているメーカーやプロセッサの公式ドキュメントに加えて、話題を深く掘り下げたい人のために、ここで材料の大きい選択（研究論文、プレゼンテーション）エネルギー管理（慎重、コミックサンズ）の広い範囲に- 。