CPU中的電源管家：PCU
計算機的發展可謂一日千里，還記得小的時候潛入母親的辦公室，按下圓圓的電源按鈕，等待泛著綠色的CRT顯示屏亮起時期待的心情。電源鍵旁邊大大的Turbo按鈕和綠瑩瑩的顯示著33MHz的小窗，總在勾引我毫無例外的按下Turbo鍵，滿意地看著小窗變成66MHz。同時心裡在懷疑會有哪個傻瓜會拒絕更快的速度呢？
是啊，那是一個簡單而直接的年代，更快的速度總是人們追求的第一目的，而浪費的電力相比昂貴的計算機卻顯得那麼的微不足道。
時間很快跨過千禧年，數GHz的主頻和高達上百瓦的功耗讓CPU在這個強調節能的時代看起來十分不合時宜。CPU的各種省電模式也一樣樣的被髮明和得到廣泛應用。這其中就包括EIST、CState、睿頻和Speed Shift等等省電模式：
ofollow,noindex" target="_blank">老狼：CPU省電的祕密（一）：EIST 老狼：CPU省電的祕密（二）：CStates 老狼：睿頻：榨乾CPU所有的潛力（CPU電源管理系列番外篇） 老狼：根植於硬體的極速變頻技術:Speed ShiftCPU的電源管理越來越複雜，尤其是睿頻、Speed Shift和Package CState的引入讓簡單的純硬體電路的電源管理變得越來越不太現實。終於在Nehalem架構中，一個統一的中央控制器件被引入，並從此駐留在CPU中，再也不曾離開。
就如我在上文的結尾中那個問題：
老狼：TDP是CPU的功耗嗎？TDP是固定不變的嗎？你知道它在哪嗎？
CPU中的電源管家在哪裡？
Nehalem CPU中，一個叫做PCU（Package Control Unit）的器件被引入CPU的封裝中：
我們可以看到它控制著CPU核心的PLL，從而可以掌控各個核心的頻率；它還控制著Vcc，可以關閉各個核心的電源；它還連線著核心中的溫度感測器，可以讀取它們來作為決策的依據。
PCU實際上是個單獨的微控制器，有自己的執行程式碼，叫做pcode。在最開始pcode相對十分簡單，就是按照作業系統的指示，將不用的核心關閉，進而儘量進入Package CState來節省電力。但是隨著睿頻和Speed Shift的引入，PCU開始管理整個CPU的Power Budget，即能耗的預算，從而可以如我們前文所說：
老狼：TDP是CPU的功耗嗎？TDP是固定不變的嗎？讓CPU功耗可以瞬時超過TDP的天花板，來讓我們的CPU響應更快。那麼PCU是如何管理CPU的Power Budget呢？
PCU的電源管理演算法
那為了節省能耗，是不是就是低頻慢慢幹就好了呢？答案是否定的。我們排除浪費時間等因素，只從能耗上考量，如果我們衡量幹完某件事需要消耗的整體能量，實際上有兩種策略：
- 保持固定頻率，將事情幹完，然後CPU進入休息狀態。
- 加速幹事情，忍受短時功耗上升，儘快幹完事情，儘早讓CPU休息。
這和人一樣，有些人是慢性子，徐徐圖之；而有些人性子急，希望早幹完早休息。很難判斷哪種好，這就需要量化分析了，好在Intel的工程師已經為我們找到這個平衡點：
在這個平衡點附近，按照工作量（workload demand）被分成Low Range和High Range，PCU採取兩種策略。
在Low Range的區間，CPU的主頻低於Pe就沒有任何意義了，PCU總是讓核心工作在Pe頻率上，儘快幹完事，進入休眠狀態（CState）。這就是有時計算機比較清閒，我們開啟工作管理員時，會發現有些CPU既不是工作在最低主頻上，也不是工作最高主頻上的原因。
在High Range中，提高核心頻率儘管可以讓任務完成的更快，但是因為能耗和頻率f是3次方的關係，對能耗比來說並不合算。這就需要作業系統來提示支援Speed Shift的PCU，採取激進的高頻高功耗模式，來提供更好的相應；還是保守的能耗優先模式。
尾聲
PCU的引入讓CPU的能耗管理變得智慧而有趣，但也給許多電腦愛好者帶來了一些困擾和疑惑。希望本文能夠對大家理解CPU的電源管理帶來些幫助。
另外需要說明的是雖然PCU的主要功能是電源管理，但它還有些別的功能，這裡就不詳述了。詳細隨著CPU智慧管理的需求，PCU的功能會越來越多。本文的圖片均出自Intel IDF。
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