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当用户不用电脑的时候，运行中的电脑在做些什么?

 3 years ago
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当用户不用电脑的时候，运行中的电脑在做些什么?

中央处理器 (CPU)话题下的优秀回答者

当人闲下来的时候，会干什么？如果这个问题问我，那一定是躺在床上。有句老话说的好：舒服不如躺着。从进化论来讲，这是合理的。从洞穴人那里继承来的大脑，让我们尽一切可能寻找和储存食物，并节省这些来之不易的能量。哪些没事瞎“蹦跶”的原始人，也许在一个酷热的下午，已经灭绝在非洲的大草原上，没有留下一个后代。所以那些没事就去健身的人，我对他们只有羡慕嫉妒恨，这需要多大的勇气才能克服深藏在基因里的那个“懒惰的原始人”啊。

电脑曾经也没事也在全力工作，那是个野蛮发展的时代，Intel和AMD还在比拼谁的频率更高，谁有闲工夫在乎用户的电费账单呢？只有在频率竞争遇到了阻力后，慢慢地，能耗比才渐渐地重要了起来，由此以降频为代表的EIST和以关掉不用部分Clock和电力的CState才被发明并被广泛使用，那些不知疲倦的古老电脑也随之被淘汰了。这两个技术可以参考我的这两篇文章：

今天我们就一起来深入了解一下CState，也就是电脑完全不用一段时间，Windows和Linux是怎么进入CState的。

Windows的Idle进程

进入Windows，打开任务管理器，点到“详细信息”一栏。

v2-0bac26bcecfecd05bab48d0f2c9eba19_720w.jpg

当我们闲置一段时间，就会发现PID（Process ID）为0的“系统空闲进程”进程，CPU占用率为>95%以上。PID为0，意味着它是系统起来的第一个进程，是所有进程的母进程。这个所谓的Idle进程在这个时间在干什么呢？Windows的闭源让查看它比较困难，所幸我们有JTAG调试工具，我们可以Halt下来看看Windows究竟在干啥。

首先我们的目标机器有8个物理线程（两个物理CPU，各4个Core，无HT）：

v2-49d75aa7066307aadd32759ed068a1a0_720w.jpg

我们halt下来，看看：

v2-cba92a6f0a96cc1607a063d28cffc48a_720w.jpg

我们点开看各个内核的程序，发现大部分在这样一段代码里面：

v2-a5cc2ba2ab94cf77b5dc1e27dd5be1c5_720w.jpg

这段代码就是典型的monitor/mwait对，关于它们的介绍可以参考完全开放的Intel IA32用户手册，这里有PDF版本下载[1]。mwait的Hint值决定了CPU进入哪个CState：

这表明这些运行这段代码的CPU实际上已经停止运行了，进入了CState，等待中断或者monitor的内容。而主CPU（BSP）则在一个另一个循环中等待：

它在读TSC，并等待触发事件。从中看出，主CPU会把读出的时间加上，计算入CPU的空闲Idle耗时。这就是为什么“系统空闲进程”CPU占有率这么高的原因。

Windows因为是闭源，看起来还不太清楚，我们来看看Linux是怎么样的。

Linux的Idle进程

Linux闲置了一段时间，大部分CPU所在的代码和Windows很相似：

也是熟悉的monitor/mwait对。而主BSP的代码和Windows也类似，也在读TSC，时间戳。

所幸，我们有Linux的代码，我们可以看看monitor/mwait对的源程序，它在intel_idle.c中：

/**
 * intel_idle
 * @dev: cpuidle_device
 * @drv: cpuidle driver
 * @index: index of cpuidle state
 *
 * Must be called under local_irq_disable().
 */
static __cpuidle int intel_idle(struct cpuidle_device *dev,
				struct cpuidle_driver *drv, int index)
{
	unsigned long ecx = 1; /* break on interrupt flag */
	struct cpuidle_state *state = &drv->states[index];
	unsigned long eax = flg2MWAIT(state->flags);
	unsigned int cstate;
	bool uninitialized_var(tick);
	int cpu = smp_processor_id();

	/*
	 * leave_mm() to avoid costly and often unnecessary wakeups
	 * for flushing the user TLB's associated with the active mm.
	 */
	if (state->flags & CPUIDLE_FLAG_TLB_FLUSHED)
		leave_mm(cpu);

	if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_ARAT)) {
		cstate = (((eax) >> MWAIT_SUBSTATE_SIZE) &
				MWAIT_CSTATE_MASK) + 1;
		tick = false;
		if (!(lapic_timer_reliable_states & (1 << (cstate)))) {
			tick = true;
			tick_broadcast_enter();
		}
	}

	mwait_idle_with_hints(eax, ecx);

	if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_ARAT) && tick)
		tick_broadcast_exit();

	return index;
}

它的父函数是cpuidle_enter()，它的进程是pid为1的init进程，也就是pid为0的start_kernal()的所有内核进程的守护进程，它是内核创建的第一个进程，也是所有用户级进程的祖先。

UEFI BIOS的Idle程序

也许你不会想到，UEFI BIOS也会把不用的CPU放到CState下，节省那么一丢丢电力（苍蝇也是肉啊），它的代码在Edk2\UefiCpuPkg\Library\MpInitLib\Mplib.c

      if (CpuMpData->ApLoopMode == ApInMwaitLoop) {
        //
        // Place AP in MWAIT-loop
        //
        AsmMonitor ((UINTN) ApStartupSignalBuffer, 0, 0);
        if (*ApStartupSignalBuffer != WAKEUP_AP_SIGNAL) {
          //
          // Check AP start-up signal again.
          // If AP start-up signal is not set, place AP into
          // the specified C-state
          //
          AsmMwait (CpuMpData->ApTargetCState << 4, 0);
        }

而原始的可以进入C1的HLT指令方式是这个代码块：

    if (CpuMpData->ApLoopMode == ApInHltLoop) {
      //
      // Save AP volatile registers
      //
      SaveVolatileRegisters (&CpuMpData->CpuData[ProcessorNumber].VolatileRegisters);
      //
      // Place AP in HLT-loop
      //
      while (TRUE) {
        DisableInterrupts ();
        CpuSleep ();
        CpuPause ();
      }
    }

最最原始的傻等在这里：

      } else if (CpuMpData->ApLoopMode == ApInRunLoop) {
        //
        // Place AP in Run-loop
        //
        CpuPause ();
      } else {

电脑不用的时候，CPU中的大部分逻辑内核都会用monitor/mwait进入省电而停止的CState，而主内核BSP也大部分在CState，偶尔会醒来统计一下数据而已。Windows是这样，Linux是这样，连BIOS也差不多是这样（BIOS BSP不在统计数据，在继续启动）。

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