CPU中的电源管家：PCU [出自:jiwo.org]

计算机的发展可谓一日千里，还记得小的时候潜入母亲的办公室，按下圆圆的电源按钮，等待泛着绿色的CRT显示屏亮起时期待的心情。电源键旁边大大的Turbo按钮和绿莹莹的显示着33MHz的小窗，总在勾引我毫无例外的按下Turbo键，满意地看着小窗变成66MHz。同时心里在怀疑会有哪个傻瓜会拒绝更快的速度呢？

是啊，那是一个简单而直接的年代，更快的速度总是人们追求的第一目的，而浪费的电力相比昂贵的计算机却显得那么的微不足道。

时间很快跨过千禧年，数GHz的主频和高达上百瓦的功耗让CPU在这个强调节能的时代看起来十分不合时宜。CPU的各种省电模式也一样样的被发明和得到广泛应用。这其中就包括EIST、CState、睿频和Speed Shift等等省电模式：

CPU省电的秘密（一）：EIST

CPU省电的秘密（二）：CStates

睿频：榨干CPU所有的潜力

根植于硬件的极速变频技术:Speed Shift

CPU的电源管理越来越复杂，尤其是睿频、Speed Shift和Package CState的引入让简单的纯硬件电路的电源管理变得越来越不太现实。终于在Nehalem架构中，一个统一的中央控制器件被引入，并从此驻留在CPU中，再也不曾离开。

就如我在上文的结尾中那个问题：

TDP是CPU的功耗吗？TDP是固定不变的吗？

你知道它在哪吗？

CPU中的电源管家在哪里？

Nehalem CPU中，一个叫做PCU（Package Control Unit）的器件被引入CPU的封装中：

我们可以看到它控制着CPU内核的PLL，从而可以掌控各个内核的频率；它还控制着Vcc，可以关闭各个内核的电源；它还连接着内核中的温度传感器，可以读取它们来作为决策的依据。

PCU实际上是个单独的微控制器，有自己的执行代码，叫做pcode。在最开始pcode相对十分简单，就是按照操作系统的指示，将不用的内核关闭，进而尽量进入Package CState来节省电力。但是随着睿频和Speed Shift的引入，PCU开始管理整个CPU的Power Budget，即能耗的预算，从而可以如我们前文所说：

TDP是CPU的功耗吗？TDP是固定不变的吗？

让CPU功耗可以瞬时超过TDP的天花板，来让我们的CPU响应更快。那么PCU是如何管理CPU的Power Budget呢？

PCU的电源管理算法

那为了节省能耗，是不是就是低频慢慢干就好了呢？答案是否定的。我们排除浪费时间等因素，只从能耗上考量，如果我们衡量干完某件事需要消耗的整体能量，实际上有两种策略：

1.保持固定频率，将事情干完，然后CPU进入休息状态。

2. 加速干事情，忍受短时功耗上升，尽快干完事情，尽早让CPU休息。

这和人一样，有些人是慢性子，徐徐图之；而有些人性子急，希望早干完早休息。很难判断哪种好，这就需要量化分析了，好在Intel的工程师已经为我们找到这个平衡点：

在这个平衡点附近，按照工作量（workload demand）被分成Low Range和High Range，PCU采取两种策略。

策略一

在Low Range的区间，CPU的主频低于Pe就没有任何意义了，PCU总是让内核工作在Pe频率上，尽快干完事，进入休眠状态（CState）。这就是有时计算机比较清闲，我们打开任务管理器时，会发现有些CPU既不是工作在最低主频上，也不是工作最高主频上的原因。

在High Range中，提高内核频率尽管可以让任务完成的更快，但是因为能耗和频率f是3次方的关系，对能耗比来说并不合算。这就需要操作系统来提示支持Speed Shift的PCU，采取激进的高频高功耗模式，来提供更好的相应；还是保守的能耗优先模式。

尾声

PCU的引入让CPU的能耗管理变得智能而有趣，但也给许多电脑爱好者带来了一些困扰和疑惑。希望本文能够对大家理解CPU的电源管理带来些帮助。

另外需要说明的是虽然PCU的主要功能是电源管理，但它还有些别的功能，这里就不详述了。详细随着CPU智能管理的需求，PCU的功能会越来越多。本文的图片均出自Intel IDF。