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Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

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ACPI - Advanced Configuration and Power Interface

ACPI ist ein offener Industriestandard für die Energieverwaltung. Zusätzlich stellt er Schnittstellen für die Hardware-Erkennung, Gerätekonfiguration und zum Energiemanagement zur Verfügung.
ACPI wurde Ende der 90er Jahre von Intel und Microsoft eingeführt. Heute sind sehr viele PC-Hersteller, Betriebssystem-, Treiber-, BIOS-, Firmware- und Software-Entwickler an der ACPI-Spezifizierung und Umsetzung beteiligt. Entsprechend umfangreich ist diese Spezifikation. Trotzdem oder gerade deshalb finden sich in vielen Implementierungen Fehler. Deshalb gibt es immer wieder mal Probleme mit den verschiedenen Betriebszuständen der PC-Hardware.
Für eine volle ACPI-Unterstützung müssen sowohl das Motherboard mit dem Chipsatz, Timer und BIOS als auch das Betriebssystem und teilweise auch der Prozessor ACPI-fähig sein. Weil alle Komponenten von unterschiedlichen Herstellern kommen, sind Inkompatibilitäten nicht ausgeschlossen.

Energiemanagement

ACPI ist hauptsächlich für das Energiemanagement bekannt, dass das Advanced Power Management (APM) abgelöst hat. Die Kontrolle über das Energiemanagement liegt bei ACPI, anders als beim älteren APM-Standard, komplett beim Betriebssystem.
ACPI ermöglicht es dem Betriebssystem, den Computer auszuschalten um ihn zu einem späteren Zeitpunkt wieder einschalten zu können, um dann genau mit dem selben Zustand weiterarbeiten zu können, den er beim Ausschalten hatte. Doch so toll sich das anhört, es funktioniert bis heute teilweise immer noch nicht fehlerfrei.

Betriebszustände

ACPI unterscheidet zwischen den Betriebszuständen des gesamten Systems (S-States), des Prozessors (C- und P-States) und sonstigen Komponenten (D-States). Die Kennzeichnung setzt sich aus einem Anfangsbuchstaben zusammen, dem eine Ziffer folgt. Während der Buchstabe den Zuständigkeitsbereich des Betriebszustands kennzeichnet, bezieht sich die Ziffer auf die Sparwirkung. Die Stromverbrauch ist umso niedriger, je tiefer der Schlafzustand der CPU-Kerne und der übrigen Bestandteile des Prozessors ist. Je größer die Zahl, desto sparsamer ist der Betriebszustand und desto länger dauert die Wiederherstellung des Normalzustands.

ACPI S0

Der Betriebszustand S0 steht für den normalen Zustand eines laufenden Computers. Es ist möglich, den Prozessor in den C1-Zustand zu schalten. Es ist auch möglich, andere Komponenten, wie Festplatten bei laufendem System schlafen zu legen (D3/D4).

ACPI S1 - S2 - S3

Bei S1 und S3 schlummert das System und wacht dann auf, wenn zum Beispiel die Tastatur betätigt wird. Die Leistungsaufnahme zwischen S0 und S1 unterscheidet sich praktisch nicht.
Der S2-Betriebszustand ist ungenau definiert und kommt deshalb nie vor.

ACPI S3 - Suspend-to-RAM

Wählt man unter Windows XP "Standby" oder Windows Vista "Energie sparen", dann fährt das System in den S3-Modus. Wenn die notwendige Hardware-, BIOS- und Treiber-Unterstützung fehlt, dann wird in den S1-Modus geschaltet. Wenn die Schaltflächen für "Standby" und "Energie sparen" fehlen, dann fehlen die notwendigen Treiber oder sind fehlerhaft installiert. Im BIOS/UEFI könnte ACPI-S1/S3 auch abgeschaltet sein.
In diesem Zustand versorgt das Netzteil das Motherboard nur noch aus der 5V-Standby-Leitung. So fern ein Computer nicht stromlos war, wacht er innerhalb von Sekunden auf, wenn er gestartet wird.

ACPI S4 - Suspend-to-Disk

Bei ACPI S4 wird der Arbeitsspeicher in eine Datei auf der Festplatte gespeichert. Danach darf der Computer vom Stromnetz getrennt werden. Der Systemstart dauert dann aber etwas länger als bei ACPI S3. Denn es müssen erst die Daten von der Festplatte in den Arbeitsspeicher zurückgeschrieben werden. Wenn der Arbeitsspeicher sehr groß ist und die Festplatte langsam, dann kann das Aufwachen aus dem S4-Betriebszustand länger dauern, als wenn das System komplett neu startet.

Nicht jedes Gerät ist in der Lage einen beliebigen PC aus S3 und S4 zu wecken. Das hängt von den Treibern ab, von den Einstellungen der Energieverwaltung, vom BIOS und dessen Einstellungen, sowie vom Aufbau des Motherboards. Das bedeutet, es ist in jedem PC anders.

ACPI S5

Der S5-Betriebszustand wird unter Windows XP und Windows Vista als "Herunterfahren" bezeichnet.

Windows: Energie sparen

Bei Windows 7 und 8 gibt es einen Standby-Modus der ACPI S3 und S4 kombiniert, und "Energie sparen" genannt wird. Den Ruhezustand, auch Hibernation, Suspend-to-Disk oder ACPI S4 genannt, kann man nicht direkt wählen. In "Energie sparen" wechselt das System nach einer eingestellten Zeit automatisch, wenn keine Nutzereingaben getätigt werden.
Beim "Energie sparen" schaltet Windows zuerst nach ACPI S3. Davor werden wichtige Daten aus dem RAM in die Datei "hiberfil.sys" auf die Systempartition geschrieben. Nach einer gewissen Zeit wechselt das System dann nach ACPI S4. Beim "Aufwachen" kopiert Windows den Inhalt von "hiberfil.sys" ins RAM zurück und startet dann aus ACPI S3.
Das Problem bei ACPI S3 (Suspend-to-Disk) ist, dass man dem Rechner nicht unbedingt ansieht, ob er sich in diesem Modus befindet oder ausgeschaltet ist. Durch das Kombinieren von ACPI S3 und S4 stellt Windows sicher, dass es beim Ausfall der Energieversorgung (versehentliches Steckerziehen oder leerer Notebook-Akku) kein Datenverlust gibt.

Windows: Herunterfahren

Windows 8 schaltet das System beim "Herunterfahren" nach ACPI S4, wobei der RAM-Inhalt auf die Festplatte geschrieben wird. Beim nächsten Bootvorgang lädt das Betriebssystem sein Speicherabbild aus dem RAM. Dabei spart das System das Laden des Kernels und der Treiber, weshalb es schneller wieder hochfährt.

ACPI C0...C7

Die C-States kennzeichnen die Betriebs- bzw. Schlafzustände des Prozessors bzw. eines Prozessorkerns. C-States gehören zu den zentralen Stromsparmechanismen moderner Prozessoren und bilden die Grundlage für den Turbo-Modus (Übertaktungsautomatik) von Intel und AMD. Nicht alle Prozessoren beherrschen alle Betriebszustände. Aber nicht bei jedem Prozessor funktionieren die gleichen Stufen identisch.
Generell kann man sagen, dass höhere Zahlen hinter dem C eine tiefere Schlafphase kennzeichnen. Das bedeutet aber auch, je tiefer der Schlafzustand, desto länger dauert es, bis ein Kern wieder aufwacht.
Der Prozessor schaltet nicht nur Kernspannung und Taktfrequenz herunter, sondern trennt auch Caches und ganze Kerne von der Stromversorgung. Das spart sehr viel Strom und ist insbesondere bei Akku-betriebenen Geräten interessant.

ACPI-Betriebszustände für die Energieverwaltung eines PCs

ACPI Beschreibung Leistungsaufnahme
S0 Normalzustand, einzelne Komponenten können sich im Standby-Modus befinden, Leistungsaufnahme je nach Auslastung 40 bis 200 Watt
S1 Bildschirm ist aus. Kaum sparsamer als S0. Aber CPU: C1 bis C3 40 bis 100 Watt
S2 Wie S1. Wird in der Praxis fast nie benutzt. 40 bis 100 Watt
S3 System schläft, Daten befinden sich im Hauptspeicher, Aufwachzeit innerhalb weniger Sekunden. Betriebszustand wird als Suspend-to-RAM bezeichnet. 2 bis 15 Watt
S4 System schläft, Daten werden auf der Festplatte gespeichert, Aufwachzeit innerhalb einer Minute. Betriebszustand wird als Suspend-to-Disk bezeichnet. 1 bis 10 Watt
S5 Ausgeschalteter Zustand. PC lässt sich per Taster starten. 0 bis 10 Watt
G3 Netzteil ist vom Stromnetz getrennt. 0 Watt
C0 Prozessor arbeitet normal. Verschiedene P-States möglich. 10 bis 130 Watt
C1 Prozessor wartet auf Arbeit und befindet sich im leichten Schlafzustand (Halt-Befehl). Wechsel zwischen C0 und C1 mehrmals pro Sekunde möglich. 10 bis 30 Watt
C2/C3 Prozessor in tieferen Schlafzuständen. Bei C3 werden Takt abgeklemmt und Caches geleert (Sleep Mode). Dadurch verringerte Leistungsaufnahme. 7 bis 15 Watt
C4...C6 Prozessor in noch tieferen Schlafzuständen. Kommt vorwiegend bei Mobilprozessoren vor, um Strom zu sparen 5 bis 10 Watt
C7 Die Kernspannungen des Prozessors sind komplett abgeschaltet. < 0,5 Watt

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