CPU C-states

1、曹操曾经说过：烈士多悲心，小人偷自闲。真的自闲就真成小人了么？小编我并不觉得清闲是一件坏事。为了让处理器处于闲置状态时能够节约能源，处理器可以给系统发出一条指令，让自己进入到低功耗的节能模式。每个处理器都具有多种节能模式，他们被称作C-states或者C-modes（节能形态或节能模式）。在这篇文章中，各位读者可以了解到处理器的各种节能模式的技术特点以及实现方法，还有各种处理器所支持的节能模式详解。希望阅读完此文，大家就能对处理器的节能模式有一个比较全面的了解。    追溯历史，低功耗模式被首次引入处理器中，还是在486DX4处理器。因此现在我们在市面上听到的各种

2、处理器的节能模式，并不是什么新技术，早在 486时期就已经出现了。然而，随着时间的推移，处理器中出现了更多的低功耗模式，并且每个新的低功耗模式都较上一代更为先进，都可以让处理器在空闲的时候，更加的省电节能。    节能模式基本的概念就是当处理器处于闲置的时候，降低时钟频率，降低电压，甚至完全关闭它，同时还可以对处理器进行“唤醒”，让它再次回到100%的工作状态。由此就完成了从睡眠到唤醒的过程。    处理器的运行模式都被统称为C-states。他们最初的规格编号是C0，这也是处理器最为正常的运行模式。此时处理器的运行效能是100%。当

3、然在C0以上的各种模式，就均属于节电模式，当后面的数字越高处理器的电路和信号被关掉的部分也就越多。例如，C1、C2等等。舱处理器被唤醒时，他也就又回到了C0模式。    不过这还存在一个问题，处理器从睡眠到唤醒需要较长的时间，处理器睡眠越深，所关闭的电路和降低的电压就越多，甚至是完全关闭。那么这就意味着，处理器要花更长的时间醒来。    每个节能模式会有若干个名字，因为他们还会有许多的子模式，这些子模式会更为细致的划分处理器睡眠的深度，因此他们在唤醒的时候所需的时间也不尽相同。C形态：处理器节电模式总表   

4、60; 下面我们将用一张硕大的表格罗列出所有处理器普遍可用的C-states节电状态。例如，C1到C3模式，都可以切断时钟信号，而C4至C6模式可以降低处理器的电压。这些模式只要在BIOS中设置为开启即可。模式形态含义支持的处理器C0Operating State处理器全速正常运行All CPUsC1Halt通过软件停止处理器内部的时钟，而总线接口单元和APIC仍然保持全速运行。486DX4以上C1EEnhanced Halt通过软件停止处理器内部的时钟，可以降低处理器电压，而总线接口单元和APIC仍然保持全速运行。所有socket 775处理器C1E停止所有处理器的内部时钟。Turion 6

5、4，65nm的Athlon X2和Phenom处理器C2Stop Grant通过硬件停止处理器内部的时钟，而总线接口单元和APIC仍然保持全速运行。486DX4以上C2Stop Clock通过硬件停止处理器内部和外部时钟。仅有486DX4，Pentium，Pentium MMX，K5，K6，K6-2，K6-III支持C2EExtended Stop Grant通过硬件停止处理器内部主时钟，降低处理器电压，而总线接口单元和APIC仍然保持全速运行。Core 2 Duo以上(仅Intel处理器支持)C3Sleep停止所有处理器内部时钟。Pentium II，Athlon以上支持，但是Core 2

6、Duo E4000和E6000并不支持C3Deep Sleep停止所有处理器内部和外部时钟。Pentium II以上支持，但是Core 2 Duo E4000、E6000和Turion 64并不支持C3AltVID停止所有处理器内部时钟并且降低处理器电压。AMD Turion 64C4Deeper Sleep降低处理器电压Pentium M以上支持，但是Core 2 Duo E4000、E6000和Turion 64并不支持C4E/C5Enhanced Deeper Sleep大幅降低处理器电压并且关闭处理器缓存Core Solo，Core Duo和45nm移动版Core 2 Duo支持C6D

7、eep Power Down降低处理器电压，电压可以降低到0V仅45nm的移动版Core 2 Duo支持C1形态：486DX4时代的技术     在所有的x86处理器中，有一条指令叫做“HLT”代表Halt这个英文单词，是暂停的意思。其中处理器会理解为“停下来吧”的意思。此时处理器会啥都不做，用中断推迟它受到的信息包，处理器会发出一个硬件信号，告诉系统内的其他设备，稍等片刻。    由于处理器在暂停模式下会完全闲置，那么Intel决定在这个时候降低处理器的功耗，因此为处理器增加了“暂停”和“自动暂停”模式。这就是最为古老的第一代处理器

8、节能技术C1形态。从486DX4处理器开始，此后所有的处理器都支持这一节能技术。另外SL版本的468DX2处理器也支持这项技术。    当计算机程序运行一条HLT指令的时候，处理器就会进入传统的暂停模式。内部的时钟信号停止下来了。在收到中断指令后，处理器又可以回到正常运作形态，同时时钟信号也恢复正常。    处理器内部有2个单元可以提供CPU内部时钟，总线接口单元和APCI高级可编程中断控制器。通过他们，处理器可以接收到来自外部总线的信息，中断暂停形态苏醒过来。    由于处理器内部的信号被切断了，几乎处

9、理器内部所有的单元都停止了运作，这样就大幅降低了处理器的功耗。    追溯历史，早在8086处理器时代就已经出现了HLT，不过真正能应用这条指令的是468DX4。此后HLT也成为了后续处理器都支持的一项最为基本的低功耗状态。    如上所述，处理器之所以可以从C1形态中醒来，最为重要的是通过处理器外部总线所发来的一个中断请求。在处理器从暂停到完全醒来需要一定的时间，此时的形态有很多种名称：Stop Clock Snoop State，HALT/Grant Snoop State或者称作Snoop State。在这期间，处理器的时钟是在

10、慢慢的恢复中。然后处理器就又可以接受进入暂停模式的指令。    所有基于Socket 775的处理器，如Pentium 4，Core 2 Duo和其他更高级的处理器都支持暂停形态，同时还支持更为高级的增强型暂停形态，如P4处理器。Core 2 Duo更扩展出了C1E模式，它同时也可以降低处理器的电压，停止内部时钟。如果你在主板的BIOS中开启这些模式，那么处理器在收到HTL指令时，就可以进入该模式。    Core 2 Duo处理器也支持扩展暂停监听形态，使得处理器可以进入C1E或C2E形态，当处理器收到了来自外部总线的请求，可以从睡

11、眠中醒来，不过处理器可以继续保持较低的电压。    支持注意的是AMD公司也有一个C1E形态，不过所指代的意义却完全不同。他们采用65nm制造工艺技术的Athlon X2和Phenom，它与C3形态类似，可以关闭所有处理器的时钟。当在BIOS设置好开启C1E形态后，就可以节约能耗了。AMD的C1E和C3形态之间的差别就在于进入睡眠状态。处理器要进入C3形态，必须通过操作系统发出指令才能执行。而AMD的C1E形态则是处理器自动执行的，当处理器所有处理核心都进入到C1形态时，整个处理器会自动进入到C1E形态。C2形态：专用功耗控制引脚   

12、0; 在468DX4中也引入了C2形态，处理器特别适用了一个叫做“STPCLK”的引脚来实现停止时钟。当这个引脚被激活的时候，处理器的核心时钟就会被关闭。    你可以看到C2与C1形态有些类似，它们都能切断处理器的核心时钟。不同的地方在于如何实现的，C1形态是通过软件来实现的，向处理器发出一个HLT指令。而C2则是通过硬件来实现的，通过一个处理器的引脚控制开启或关闭。    当处理器进入C1形态的时候，处理器内部时钟并不会完全停止，而当处理器进入到C2形态时也有类似的情况，处理器中的总线界面接口，和APIC单元仍然保持着处理器内部时

13、钟频率在运行着。这样做的好处就是处理器可以接受来自外部总线的信号，可以从睡眠形态中醒来。    由于处理器内部所有单元的时钟信号几乎完全暂停，因此处理器停止了工作，这将会大幅减少能耗。    在C2形态中，还有2个子模式。Stop Grant和Stop Clock。Stop Grant形态，如上所说，利用一根处理器的引脚来控制开启和关闭。虽然处理器的核心时钟都已经关闭，但是PLL器时钟发生器芯片仍然在全速运行。因为它仍然需要工作，产生外部的总线时钟和处理器的外部时钟。    486DX4，Pentium，

14、Pentium MMX，K5，K6，K6-2和K6-III处理器都支持更深一级的睡眠技术Stop Clock。它可以进一步关闭时钟发生器芯片，因此外部时钟信号也将会被关闭。可以想象这将会更加省电。当前的处理器已经不支持C2形态了，转而支持更深度的C3形态。后面我们会有更详细的介绍。    类似C1形态，C2形态的另一种被称作允许停止形态，对它的控制来自于处理器的外部总线。此时处理器处在一种叫做：停止时钟窥探状态，或者叫做暂停窥探状态，或叫做简单窥探状态。在这期间，处理器处于最小的功耗状态运行任务。当处理器完成任务请求的时候，它会自动进入C2状态。 

15、60;  而Core 2 Duo处理器则具备更为高级的允许停止形态，叫做：增强型允许停止形态，或称作C2E形态，它可以同时停止处理器的内部时钟，降低处理器的电压。如果你可以在主板的BIOS中开启这个模式，那么当处理器进入到传统的C2模式时，就会通过STPCLK引脚被激活为C2E形态。否则，处理器仅仅会进入到标准的C2形态。    同时它可以支持更高级的增强型允许停止形态（Extended Halt/Stop Grant Snoop state）。当处理器的外部总线发出请求，它允许处理器暂时退出C1E或C2E形态，以较低的电压来代替额定电压运行任务。C3形

16、态：传说中的深度睡眠     C3形态，就是我们众所周知的深度睡眠形态。第一款支持C3形态的是Intel的Pentium II处理器。而AMD方面第一款支持C3的是Athlon处理器。有趣的是某些65nm的Core 2 Duo处理器并不支持它。例如E4000和E6000系列处理器。但是这些处理器却支持它的扩展子集C1E和C2E。此后C3形态最终在45nm的 Core 2 Duo处理器中回归。E7000和E8000系列均有所支持。    如上文所说，C1和C2形态都可以停止处理器的内部时钟，几乎切断处理器内所有单元的时钟。当这些单元停止

17、时，处理器的功耗自然大幅减少。尽管如此，在这种状态下，处理器总还是会有某些单元保持运行，如总线界面单元和APIC单元。它们必须运行，通过它们才能与处理器的外部总线保持联络，处理器才可能会唤醒。    随着技术的革新，在C3状态中，可以切断处理器内所有的时钟信号。包括上文提到的总线界面单元和APIC单元。这就意味着处理器处于一种深度睡眠模式，处理器睡的很深，再也不能通过外部总线来中断睡眠，唤醒处理器了。    Intel的处理器和AMD的Turion 64处理器都支持一种C3形态的子模式：深度睡眠。处理器的外部时钟也会停止下来，这样可以

18、更加节省功耗。        处理器是否能进入C3状态要取决于硬件制造商。Intel为处理器额外增加了引脚来控制。这个引脚叫做SLP，或者有人也称它为DPSLP。首先处理器要进入C2形态，才能进一步触发C3形态。也就是说，目前负责处理器进入低功耗形态，就有了2个针脚。首先处理器要通过STPCLK针脚，进入到C2 形态。然后再通过SLP针脚激活C3形态。进入到C3模式其实非常简单，仅仅是处理器的外部时钟型号被进一步切断而已。    而在AMD的处理器中，方法就来的比较直接。在处理器中有两个寄存器PLVL_2

19、和PLVL_3，它们分别对应的是C2和C3形态。如果一个程序读取PLVL_2寄存器，那么处理器就会触发STPCLK针脚进入C2形态。如果程序读取PLVL_3寄存器，那么就会触发STPCLK针脚引入到C3形态。        AMD移动版处理器Turion 64还支持C3的子集，叫做AltVID，它允许处理器进入C3模式时，同时降低处理器的电压。    不要忘记，Turion 64，65nm的Athlon X2和Phenom处理器也支持C1E模式，此C1E非彼C1E，与Intel的无关。它支持的节能技术，基

20、本上与C3相类似。AMD的C1E和C3形态基本上都是处理器进入到深度睡眠。不同点在于，C3形态是需要通过应用程序指令或者操作系统指令来触发的。而C1E则是处理器所有核心都处于C1形态时，会自动进入C1E形态。C4形态：绝对不是炸弹     上述几种处理器低功耗形态，无论是C1、C2还是C3基本上都是在处理器的时钟信号方面做文章。C3的所有模式都可以完全切断处理器内部的时钟信号。但是仅仅切断时钟信号，是不足以进一步降低处理器的功耗。由此处理器的研发人员们，又盘算着下一代节能技术要进一步降低处理器的电压。我们知道处理器的电压与功耗之间成正比。（P=V*I）如果我们能进

21、一步降低处理器的电压，也就可以大幅降低处理器的功耗了。    第一个可以降低处理器的形态被称作C4或者超深度睡眠形态。第一款支持这项技术的处理器产品是Intel的Pentium M处理器。它的市场定位就是移动领域市场，低功耗和最大限度的延长电池寿命。这种模式也在最初的Core Solo单核酷睿，Core Duo双核酷睿处理器中可见。其中的Core Duo其实就是双核心版本的Pentium M处理器。目前所有移动领域和桌面领域的Core 2 Duo处理器7、8系列的都可以支持这一模式。换句话说Intel的45nm制造工艺技术的处理器，都可以支持这项技术。但是桌面版的

22、Core 2 Duo处理器由于生产时间较早，尤其是65nm的4、6系列却不支持这项技术。同时AMD的Turion 64移动处理器也可以很好的支持C4形态。    超深度睡眠时需要从深度睡眠形态激活而来。例如，处理器要首先进入到深度睡眠形态（C3），此后在通过处理器中的DPRSTP引脚来激活C4形态，进一步降低处理器的电压。    下面我举一些真实的例子，来说明C4形态是如何降低能耗的。Intel Core 2 Extreme X9100移动版处理器，采用C0步进，当它全速工作的时候，最大电流为59A。当处理器进入到C4形态时，电流骤然

23、降低到12.2A，也就是说C4形态可以降低79.32%的功耗。Intel Core 2 Duo T9400和T9600移动版处理器，最大电流为47A，开启C4形态时，电流为11.7A，处理器节能75.11%，确实非常之惊人。    Core Solo和Core Duo，他们都是Pentium M的双核心版本，面向移动市场，研发代号为Yonah。采用45nm制造工艺技术的Core 2 Duo处理器，8、9系和7350都可以支持另外一种C4形态。它被称作增强型超深度睡眠，又名C4E。它除了允许降低处理器的电压之外，还可以进一步关闭处理器的L2高速缓存。需要指出的是，这

24、个模式除了上述提到的处理器以外，其它均不可用。在业界，也有人戏称它为C5形态，不过我们都知道，它并不是真正意义上的C5。    让我们举一些实际的例子，来看看C4E形态究竟能怎样节能。Intel Core 2 Extreme X9100移动版处理器，采用C0步进，当它全速工作的时候，最大电流为59A。当处理器进入到C4E形态时，电流骤然降低到11.7A，也就是说C4形态可以降低80.17%的功耗。Intel Core 2 Duo T9400和T9600移动版处理器，最大电流为47A，开启C4E形态时，电流为10.5A，处理器节能77.66%，对比C4模式，C4E的

25、节电效果更加惊人。小熊在线C6形态：完全关闭处理器     C6形态是最新的处理器节电技术，目前45nn的Core 2 Duo移动版处理器才支持这一技术。例如编号为8、9系列和7350的处理器均支持。同时最为重要的是，采用45nm制造工艺技术的桌面处理器也可以支持这项深度断电技术。    当处理器进入到C6形态时，它允许大幅降低处理器的电压，包括降低到0V。也就是说此时的处理器处于一种完全被关闭的状态。这是因为处理器内部带有一个特别的静态存储单元。当处理器进入到C6形态时，会将处理器的所有配置都写入这个静态存储单元，当处理器从C6模式

26、被唤醒的时候，所有的内部单元又会从这个特别静态存储单元内读取配置信息。因此当处理器被唤醒时，它以前所作的工作都不会丢失。由此我们可以更快的关闭计算机，也能更快的在开机时载入操作系统。    需要注意的是，这里指的电压，仅仅是一颗处理器的电压，唯一一处不同电压就是那个特殊的静态存储单元。如果你想要关闭一颗处理器时，你必须让它完全进入到C6形态。    Intel即将发布的Core i7处理器，研发代号Nehalem，它将会内嵌一个电源控制单元，它将是一个独立于处理器的单元，可以降低处理器的电压，甚至是完全关闭处理器。举例来说，如果一个处

27、理器的核心处于闲置状态，它将能够关闭其中一个核心，让它处于C6形态。若是以前的45nm移动版Core 2 Duo，并不具备这样更加先进而灵活的功耗管理功能。小熊在线    Nehalem的功耗管理另一项突破就是超快的切换速度。集成在处理器内部的功耗管理单元可以快速的发出“开启核心/关闭核心”的信号。一旦处理核心处于空闲，功耗管理单元就会立刻将之关闭。其开启和关闭的切换速度在百万分之一秒。    为了进入到C6形态，处理器必须先进入到C4形态，此后再切换到C6形态。还是让我们举一些例子，来看看C6形态能有多强的节电效果。Intel Co

28、re 2 Extreme X9100移动版处理器，采用C0步进，当它全速工作的时候，最大电流为59A。当处理器进入到C6形态时，电流骤然降低到11A，也就是说C6形态可以降低81.35%的功耗。Intel Core 2 Duo T9400和T9600移动版处理器，最大电流为47A，开启C6形态时，电流为5.7A，处理器节能87.87%，对比上述所有节电模式，目前C6模式的节电效果是最强悍的CPU电源状态（C-States）一般用户很少注意到这个状态，通常只会在使用CPU-Z来监控时钟频率和电压时才会留意到它。移动处理器的C状态比台式机的多。例如，Core 2 Duo处理器（Meron）会支持C

29、0-C4状态，然后桌面型Core 2 Duo处理（Conroe）仅支持C1-C0状态。     C0状态（激活）    ·这是CPU最大工作状态，在此状态下可以接收指令和处理数据    ·所有现代处理器必须支持这一功耗状态     C1状态（挂起）    ·可以通过执行汇编指令“HLT（挂起）”进入这一状态    ·唤醒时间超快！（快到只需10纳秒！）    ·可以节省70%的CPU功耗    ·所有现代处理器都必须支持这一功耗状态     C2状态（停止允许）&#