Advanced Configuration and Power Interface ( ACPI ) ist ein offener Standard , mit dem Betriebssysteme Computerhardwarekomponenten erkennen und konfigurieren , das Energiemanagement (z. B. das Versetzen ungenutzter Hardwarekomponenten in den Ruhezustand), die automatische Konfiguration (z. B. Plug & Play und Hot-Swapping ) und die Statusüberwachung durchführen können. ACPI wurde im Dezember 1996 eingeführt und war erstmals in Windows 98 und Windows 2000 verfügbar . Ziel von ACPI ist es, Advanced Power Management (APM), die MultiProcessor Specification und die Plug & Play BIOS (PnP) Specification zu ersetzen. [ 1 ] ACPI stellt das Energiemanagement unter die Kontrolle des Betriebssystems, im Gegensatz zum vorherigen BIOS-zentrierten System, das auf plattformspezifischer Firmware basierte, um Energiemanagement- und Konfigurationsrichtlinien festzulegen. [ 2 ] Die Spezifikation ist zentral für das Betriebssystem-gesteuerte Konfigurations- und Energiemanagementsystem ( OSPM ). ACPI definiert Hardware-Abstraktionsschnittstellen zwischen der Geräte-Firmware (z. B. BIOS , UEFI ), den Computerhardwarekomponenten und den Betriebssystemen . [ 3 ] [ 4 ]

Intern stellt ACPI dem Betriebssystemkern die verfügbaren Komponenten und deren Funktionen mithilfe von Befehlslisten („ Methoden “) zur Verfügung, die von der Systemfirmware (UEFI oder BIOS) bereitgestellt und vom Kernel analysiert werden . Anschließend führt ACPI die gewünschten, in ACPI-Maschinensprache geschriebenen Operationen (z. B. die Initialisierung von Hardwarekomponenten) mithilfe einer eingebetteten minimalen virtuellen Maschine aus .

Intel , Microsoft und Toshiba entwickelten den Standard ursprünglich, später beteiligten sich auch HP , Huawei und Phoenix . Im Oktober 2013 vereinbarte die ACPI Special Interest Group (ACPI SIG), die ursprünglichen Entwickler des ACPI-Standards, die Übertragung aller Rechte an das UEFI Forum , in dem die zukünftige Entwicklung stattfinden wird. [ 5 ] Die neueste Version des Standards, 6.6, wurde am 13. Mai 2025 veröffentlicht. [ 6 ]

Architektur

Die ACPI-Firmware besteht aus drei Hauptkomponenten: den ACPI-Tabellen, dem ACPI-BIOS und den ACPI-Registern. Das ACPI-BIOS generiert die ACPI-Tabellen und lädt sie in den Hauptspeicher . Ein Großteil der ACPI-Funktionalität der Firmware ist im Bytecode der ACPI-Maschinensprache ( AML ) implementiert, einer Turing-vollständigen , domänenspezifischen Low-Level-Sprache , die in den ACPI-Tabellen gespeichert ist. [ 7 ] Um die ACPI-Tabellen nutzen zu können, benötigt das Betriebssystem einen Interpreter für den AML-Bytecode. Eine Referenzimplementierung eines AML-Interpreters stellt die ACPI Component Architecture ( ACPICA ) bereit. Während der BIOS-Entwicklung wird der AML-Bytecode aus dem Code der ACPI-Quellsprache ( ASL ) kompiliert . [ 8 ] [ 9 ]

ACPI-Komponentenarchitektur (ACPICA)

Die ACPI Component Architecture ( ACPICA ), hauptsächlich von Intel-Ingenieuren entwickelt, bietet eine plattformunabhängige Open-Source -Referenzimplementierung des betriebssystembezogenen ACPI-Codes. [ 10 ] Der ACPICA-Code wird von Linux, Haiku , ArcaOS [ 11 ] und FreeBSD [ 8 ] verwendet, die ihn durch ihren betriebssystemspezifischen Code ergänzen.

Geschichte

Die erste Überarbeitung der ACPI-Spezifikation wurde im Dezember 1996 veröffentlicht und unterstützte 16-, 24- und 32-Bit -Adressräume. Erst mit der Revision 2.0 im August 2000 erhielt ACPI die Unterstützung für 64-Bit -Adressen sowie für Multiprozessor-Workstations und -Server.

1999 erklärte der damalige Microsoft- CEO Bill Gates in einer E-Mail, dass Linux von ACPI profitieren würde, ohne dass Microsoft dafür Arbeit leisten müsse, und schlug vor, es nur für Windows anzubieten. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

Im September 2004 wurde die Revision 3.0 veröffentlicht, die die ACPI-Spezifikation um Unterstützung für SATA- Schnittstellen, den PCI-Express -Bus, Multiprozessorunterstützung für mehr als 256 Prozessoren, Umgebungslichtsensoren und Benutzerpräsenzgeräte erweiterte und das thermische Modell über die bisherige prozessorzentrierte Unterstützung hinaus ausbaute.

Die im Juni 2009 veröffentlichte Revision 4.0 der ACPI-Spezifikation fügte dem Design verschiedene neue Funktionen hinzu; die wichtigsten sind die Unterstützung für USB 3.0 , die Unterstützung für den logischen Prozessor-Leerlauf und die x2APIC -Unterstützung.

ACPI war ursprünglich auf die x86 -Architektur beschränkt; Revision 5.0 der ACPI-Spezifikation wurde im Dezember 2011 veröffentlicht [ 15 ] und fügte die Unterstützung für die ARM-Architektur hinzu . Revision 5.1 erschien im Juli 2014 [ 16 ]. Die neueste Revision 6.6, die im Mai 2015 veröffentlicht wurde, fügte die Unterstützung für RISC-V hinzu .

Betriebssysteme

Der Bildschirm „Sie können Ihren Computer jetzt sicher ausschalten“ in Windows 9x. Die meisten Peripheriegeräte sind offline, und die einzige Möglichkeit, diesen Bildschirm zu verlassen, besteht darin, den Computer auszuschalten oder neu zu starten.
Der Bildschirm „Sie können Ihren Computer jetzt sicher ausschalten“ in Windows NT 4.0. Im Gegensatz zu Windows 9x und späteren NT-Versionen funktionieren die meisten wichtigen Computerperipheriegeräte normal, sodass der Benutzer den Computer neu starten kann, anstatt ihn auszuschalten.
Der Bildschirm „Das System kann jetzt sicher ausgeschaltet werden“ in Windows 10 und 11.

Microsofts Windows 98 war das erste Betriebssystem mit ACPI-Implementierung [ 17 , 18 ] , allerdings war diese teilweise fehlerhaft oder unvollständig [ 19 , 20 ]. Einige der damit verbundenen Probleme waren jedoch auf die ACPI-Hardware der ersten Generation zurückzuführen [21]. Andere Betriebssysteme , darunter spätere Windows- Versionen , macOS (nur x86 macOS), eComStation , ArcaOS [ 22 ] , FreeBSD (seit FreeBSD 5.0 ​​[ 23 ] ), NetBSD (seit NetBSD 1.6 [ 24 ] ), OpenBSD (seit OpenBSD 3.8 [ 25 ] ), HP-UX , OpenVMS , Linux , GNU/Hurd und PC- Versionen von Solaris , bieten zumindest teilweise Unterstützung für ACPI. [ 26 ] Einige neuere Betriebssysteme, wie Windows Vista , setzen ein ACPI-kompatibles BIOS voraus, und seit Windows 8 ist der S0ix/Modern Standby- Zustand implementiert. [ 27 ]

Windows-Betriebssysteme verwenden acpi.sys [ 28 ] , um auf ACPI-Ereignisse zuzugreifen.

Die Linux-Kernel-Serie 2.4 bot nur minimale Unterstützung für ACPI. Ab Kernel-Version 2.6.0 wurde eine verbesserte Unterstützung implementiert (und standardmäßig aktiviert). [ 29 ] Ältere ACPI-BIOS-Implementierungen sind oft fehlerhaft und werden daher von späteren Betriebssystemen nicht unterstützt. Beispielsweise nutzen Windows 2000 , Windows XP und Windows Server 2003 ACPI nur, wenn das BIOS-Datum nach dem 1. Januar 1999 liegt. [ 30 ] Auch Linux-Kernel 2.6 verwendet ACPI möglicherweise nicht, wenn das BIOS-Datum vor dem 1. Januar 2001 liegt. [ 29 ]

Linux-basierte Betriebssysteme können die Verarbeitung von ACPI-Ereignissen über acpid ermöglichen. [ 31 ]

OSPM-Verantwortlichkeiten

Sobald ein OSPM-kompatibles Betriebssystem ACPI aktiviert, übernimmt es die ausschließliche Kontrolle über alle Aspekte des Energiemanagements und der Gerätekonfiguration. Die OSPM-Implementierung muss den Gerätetreibern eine ACPI-kompatible Umgebung bereitstellen, wodurch bestimmte System-, Geräte- und Prozessorzustände offengelegt werden.

Machtzustände

Weltstaaten

Die ACPI-Spezifikation definiert die folgenden vier globalen "Gx"-Zustände und sechs Schlafzustände "Sx" für ein ACPI-konformes Computersystem: [ 32 ] [ 33 ]

Gx Name Sx Beschreibung
G Arbeiten S0 Der Computer läuft und die CPU führt Anweisungen aus. Der „Abwesenheitsmodus“ ist eine Untermenge von S0, bei dem der Monitor ausgeschaltet ist, aber Hintergrundprozesse ausgeführt werden.
G1 Schlafen S0ix Moderner Standby-Modus [ 34 ] oder „Energiesparender Leerlauf (S0)“. Teilweiser SoC-Schlafmodus des Prozessors. [ 35 ] [ 36 ] Unterzustände sind S0i1, S0i2 und S0i3. Bekannt von ARM- und x86-Geräten.
S1 Power-on-Suspend (POS): Die CPU beendet die Ausführung von Befehlen und wechselt in einen Energiesparmodus, die Stromversorgung des Arbeitsspeichers (RAM) bleibt jedoch erhalten. Peripheriegeräte wie Monitor und Festplatte können abgeschaltet werden.
S2 Die CPU ist ausgeschaltet. Der CPU-Cache wurde in den RAM geleert.
S3 Häufig als Standby- , Ruhe- oder Suspend-to-RAM-Modus (STR) bezeichnet : Der Arbeitsspeicher (RAM) bleibt mit Strom versorgt und wechselt in den Selbstaktualisierungsmodus. Die meisten Peripheriegeräte werden ausgeschaltet. Lüfter sind in der Regel ebenfalls ausgeschaltet. Erfordert GPU-Treiber unter Windows.
S4 Ruhezustand oder Suspend to Disk: Der gesamte Inhalt des Hauptspeichers wird in einem nichtflüchtigen Speicher wie einer Festplatte gespeichert, und das System wird heruntergefahren.
G2 Weiches Off S5 Herunterfahren : Das System ist ausgeschaltet.
G3 Mechanisch aus Die Stromzufuhr zum Computer wurde mittels eines mechanischen Schalters (wie an der Rückseite eines Netzteils) vollständig unterbrochen. Das Netzkabel kann entfernt werden, und das System kann sicher zerlegt werden (typischerweise läuft nur noch die Echtzeituhr mit ihrer eigenen kleinen Batterie weiter).

Die Spezifikation definiert außerdem einen Legacy- Zustand: den Zustand eines Betriebssystems, das ACPI nicht unterstützt. In diesem Zustand werden Hardware und Energieversorgung nicht über ACPI verwaltet, wodurch ACPI effektiv deaktiviert wird.

Gerätezustände

Die Gerätezustände D0 – D3 sind geräteabhängig:

  • D0 oder Vollständig Ein ist der Betriebszustand.
    • Ähnlich wie bei S0ix verfügt Intel über D0ix- Zustände für Zwischenebenen auf dem SoC. [ 37 ]
  • D1 und D2 sind Zwischenleistungszustände, deren Definition je nach Gerät variiert.
  • D3 : Der D3-Zustand wird weiter unterteilt in D3 Hot (mit Hilfsstromversorgung) und D3 Cold (ohne Stromversorgung):
    • Hot : Ein Gerät kann Energiemanagementanforderungen stellen, um in höhere Leistungszustände zu wechseln.
    • Im Zustand „Kalt oder Aus“ ist das Gerät ausgeschaltet und reagiert nicht mehr auf den Bus.

Prozessorzustände

Die CPU-Leistungszustände C0 – C3 sind wie folgt definiert:

  • C0 ist der Betriebszustand.
  • C1 (oft auch als Halt-Zustand bezeichnet ) ist ein Zustand, in dem der Prozessor keine Befehle ausführt, aber praktisch sofort wieder in den Ausführungszustand zurückkehren kann. Alle ACPI-konformen Prozessoren müssen diesen Energiesparmodus unterstützen. Einige Prozessoren, wie der Pentium 4 und der AMD Athlon , unterstützen zusätzlich einen erweiterten C1-Zustand ( C1E oder erweiterter Halt-Zustand) für einen geringeren Stromverbrauch; dieser erwies sich jedoch auf einigen Systemen als fehlerhaft. [ 38 ] [ 39 ]
  • Der C2-Zustand (oft auch als Stop-Clock bezeichnet ) ist ein Zustand, in dem der Prozessor alle softwareseitig sichtbaren Zustände beibehält, aber möglicherweise länger zum Aufwachen benötigt. Dieser Prozessorzustand ist optional.
  • Der C3-Zustand (oft auch als Schlafzustand bezeichnet) ist ein Zustand, in dem der Prozessor seinen Cache nicht kohärent halten muss , aber andere Zustände beibehält. Einige Prozessoren bieten Varianten des C3-Zustands (Tiefschlaf, Tieferer Schlaf usw.), die sich in der Dauer des Aufwachens unterscheiden. Dieser Prozessorzustand ist optional.

Für einige Prozessoren werden von den Herstellern zusätzliche Zustände definiert. Diese werden dem System über die _CST -Methode gemeldet. [ 40 ] Beispielsweise verfügt Intels Haswell - Plattform über Zustände bis C10 , wobei zwischen Kernzuständen und Package- Zuständen unterschieden wird: Der Unterschied besteht darin, dass das Package neben den Prozessorkernen auch Komponenten wie den L3-Cache, den Speichercontroller und weitere E/A-Funktionen umfasst. [ 41 ] Ähnlich unterscheiden AMD Zen 2- CPUs zwischen C-Zuständen und P-Zuständen für den Core Complex und den Infinity Fabric. [ 42 ]

Zur Beschreibung der Leerlaufzustände von Komponentengruppen (z. B. eines Pakets mit mehreren Kernen) wird die _LPI- Methode (Low Power Idle) verwendet. [ 43 ] Diese ist nicht mit Intels privater LPIT- Tabelle zu verwechseln, die zur Beschreibung des S0ix-Schlafzustands im Paket C10 oder des PCH-SLP_S0-Zustands verwendet wird. [ 44 ]

Leistungszustand

Während des Betriebs (D0 bzw. C0) kann sich ein Gerät oder Prozessor in einem von mehreren Leistungszuständen befinden . Diese Zustände sind implementierungsabhängig. P0 ist stets der Zustand mit der höchsten Leistung, P1 bis P<sub> n</sub> sind sukzessive Zustände mit geringerer Leistung. Die Gesamtzahl der Zustände ist geräte- oder prozessorabhängig, kann aber 16 nicht überschreiten. [ 45 ]

Die P-States sind bei Intel -Prozessoren als SpeedStep , bei AMD -Prozessoren als PowerNow! oder Cool'n'Quiet und bei VIA -Prozessoren als PowerSaver bekannt .

  • P0 maximale Leistung und Frequenz
  • P1 kleiner als P0 , Spannung und Frequenz skaliert
  • P2 kleiner als P1 , Spannung und Frequenz skaliert [ 46 ]
  • Pn kleiner als P(n–1) , Spannung und Frequenz skaliert

Eine kurze Beschreibung eines neueren Regelungsverfahrens basierend auf der ACPI Collaborative Processor Performance Control (CPPC) finden Sie unter Dynamische Frequenzskalierung § Autonome Frequenzskalierung . Dieses neue Verfahren ermöglicht Hunderte von möglichen Zuständen, aus denen der Prozessor autonom den optimalen Zustand auswählt.

Schnittstellen

Hardware

ACPI-konforme Systeme interagieren mit der Hardware entweder über eine „Function Fixed Hardware (FFH) Interface“ oder über ein plattformunabhängiges Hardware-Programmiermodell, das auf der plattformspezifischen ACPI Machine Language (AML) basiert, die vom Originalgerätehersteller (OEM) bereitgestellt wird.

Feste Hardware-Schnittstellen mit fester Funktion sind plattformspezifische Merkmale, die von Plattformherstellern zur Leistungsoptimierung und Fehlerbehebung bereitgestellt werden. Standardmäßige Intel -basierte PCs verfügen über eine von Intel definierte Schnittstelle mit fester Funktion [ 47 ] , die einen Satz von Kernfunktionen bereitstellt. Dadurch wird der Bedarf eines ACPI-konformen Systems an vollständigen Treiberstapeln für die Bereitstellung grundlegender Funktionen beim Systemstart oder im Falle eines schwerwiegenden Systemausfalls reduziert.

Die ACPI Platform Error Interface (APEI) ist eine Spezifikation zur Meldung von Hardwarefehlern, z. B. im Chipsatz oder RAM, an das Betriebssystem.

Firmware

ACPI definiert zahlreiche Tabellen, die die Schnittstelle zwischen einem ACPI-kompatiblen Betriebssystem und der Systemfirmware ( BIOS oder UEFI ) bilden. Dazu gehören beispielsweise RSDP, RSDT, XSDT, FADT, FACS, DSDT, SSDT, MADT und MCFG. [ 48 ] [ 49 ]

Die Tabellen ermöglichen die plattformunabhängige Beschreibung der Systemhardware und werden entweder als Datenstrukturen mit festem Format oder in AML dargestellt. Die wichtigste AML-Tabelle ist die DSDT (Differentiated System Description Table). Die AML-Datei kann mit Tools wie Intels iASL (Open Source, Teil von ACPICA) dekompiliert werden, beispielsweise um die Tabellen zu patchen und so die Betriebssystemkompatibilität zu erweitern. [ 50 ] [ 51 ]

Der Root System Description Pointer (RSDP) befindet sich plattformabhängig und beschreibt die übrigen Tabellen.

Eine von Microsoft verwendete, spezielle ACPI-Tabelle namens Windows Platform Binary Table (WPBT) ermöglicht es Herstellern, Software automatisch in das Windows-Betriebssystem zu integrieren. Lenovo wurde dabei ertappt, wie es diese Funktion zur Installation schädlicher Software wie Superfish nutzte . [ 52 ] Auch Gigabyte Technology wurde dabei ertappt, wie es diese Funktion zur Installation seiner OEM-Software einsetzte. Samsung lieferte PCs mit deaktiviertem Windows Update aus. [ 52 ] Windows-Versionen vor Windows 7 unterstützen diese Funktion nicht, jedoch können alternative Methoden verwendet werden. Dieses Verhalten wurde mit Rootkits verglichen . [ 53 ] [ 54 ]

Kritik

Ubuntu- Gründer Mark Shuttleworth bezeichnet ACPI als Sicherheitsrisiko. [ 55 ] Er sagt: „Für ACPI auf Ihrem Gerät der nächsten Generation zu plädieren, bedeutet, einen Trojaner gigantischen Ausmaßes in Ihrem Wohnzimmer und Ihrem Rechenzentrum zu installieren.“ Und weiter: „Firmware auf Ihrem Gerät ist der beste Freund der NSA .“ Er fährt fort: „Ihr größter Fehler ist anzunehmen, dass die NSA die einzige Institution ist, die diese Vertrauensstellung missbraucht – tatsächlich ist es berechtigt anzunehmen, dass jegliche Firmware ein Sumpf der Unsicherheit ist, bedingt durch die Inkompetenz der Hersteller und die Kompetenz einer Vielzahl solcher Behörden.“ Er schlägt Open-Source - Firmware mit deklarativer Architektur (ACPI oder Nicht-ACPI) als Lösung vor. [ 56 ]

Im November 2003 bezeichnete Linus Torvalds – der Autor des Linux-Kernels – ACPI als „in jeder Hinsicht ein komplettes Designdesaster“. [ 56 ] [ 57 ]

Siehe auch

Weiterführende Literatur

Referenzen

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