Linux&Win&Arm 电源状态对比

在信息爆炸的今天，电子设备已成为人类感官与思维的延伸。当我们享受智能手机的即时响应、笔记本电脑的长效续航，或是数据中心的澎湃算力时，鲜少意识到这一切体验的背后，都依赖于一项关键技术——电源管理。现代电源管理已超越简单的"省电"概念，进化为平衡性能、热耗、续航及可靠性的复杂工程。本文将简单对比常见的PC端操作系统Linux、Windows以及移动端的Arm架构在电源状态上的差异。

Linux&Win&Arm 电源状态对比

1.全局电源状态对比（G-states）

状态	Windows	Linux	ARM
G0	正常工作状态（S0）	正常运行（`on`）	ON（所有模块活动）
G1	睡眠（S1-S4）	`freeze`/`standby`/`mem/disk`	Standby/Retention（部分模块断电）
G2/S5	`shutdown`	`shut down`	Power Down
G3	机械断电（拔电源）	机械断电（拔电源）	完全掉电

Windows：严格遵循ACPI规范，支持完整的S0-S5状态,，友好的用户自定义界面。
Linux：遵循ACPI规范，通过/sys/power/state文件提供灵活配置。
ARM：原生定义Run/Standby/Shutdown，通过PSCI（Power State Coordination Interface）与OS交互。

2.睡眠状态对比（S-states）

状态	Windows	Linux	ARM
S0ix	Modern Standby（连接待机）	/	Low-Power Idle（CPU暂停）
S1/S2	基本淘汰	freeze	/
S3	"睡眠"（Sleep,Suspend to RAM）	`mem`	Standby
S4	"休眠"（Hibernate,Suspend to Disk）	`disk`	/
S5	关机	`poweroff`	Shutdown

Windows S0ix：笔记本合盖后保持网络连接（如接收邮件）。
Linux S3：服务器通过rtcwake定时唤醒执行任务。
ARM Standby：手机锁屏后关闭CPU但保持内存供电。

各个系统电源管理的补充说明

1.Windows

遵循ACPI规范：https://uefi.org/specs/ACPI/6.6

ACPI（高级配置与电源接口）为Windows系统提供了一套标准化的电源管理架构，主要包含系统电源状态（G状态和S状态）、设备电源状态（D状态）以及处理器电源状态（C状态和P状态）。

1. 系统全局状态 (G-States)是最高层次的电源状态分类：

G0 (工作状态)：系统完全运行，用户可正常操作。
G1 (睡眠状态)：系统处于低功耗模式，用户活动已暂停，但可快速恢复至工作状态。此状态包含了S1至S4状态。
G2 (软关机状态 / S5)：系统完全关闭，但主电源仍连接，部分电路待机以便响应开机信号。
G3 (机械关机状态)：系统彻底断电，物理电源被切断。

2. 系统睡眠状态 (S-States)S状态是G1睡眠状态下的细分，描述了不同的功耗和唤醒速度级别：

S0 (正常工作状态)：系统全功率运行。
S1：CPU停止工作，但其缓存和系统内存仍在刷新。
S2：比S1更深度的睡眠，CPU电源被关闭。
S3 (待机/挂起到内存 - STR)：最常用的睡眠状态。仅对内存供电，其余组件几乎全部关闭，可从内存快速恢复工作。
S4 (休眠/挂起到硬盘 - STD)：将内存中的数据全部写入硬盘的休眠文件（如 hiberfil.sys），然后切断几乎所有部件的电源。恢复时从硬盘加载数据，速度较S3慢，但更省电且断电不丢数据。
S5 (软关机)：系统完全关闭，需要完整的启动过程来恢复。

Windows还引入了 S0ix低功耗空闲（现代待机）‍ 状态，它在S0基础上允许系统在极低功耗下保持网络连接并接收通知，常见于现代笔记本电脑和平板设备。

3. 设备电源状态 (D-States)指每个设备（如硬盘、网卡）在系统处于不同状态时有自己的电源状态：

D0 (完全开启)：设备全功能运行，功耗最高。
D1 和 D2：中间节电状态，具体功能因设备而异。
D3 (完全关闭)：设备电源被切断，功耗最低。在Windows中又分为：
- D3hot：设备软件可唤醒。
- D3cold：设备完全断电，需要物理信号才能唤醒。

4. 处理器电源状态 (C-States & P-States)用于精细控制CPU的功耗：

P-States (性能状态)：指CPU在不同负载下的工作频率和电压（P0为最高性能，P1、P2等依次降低），通过调节来实现节能。
C-States (空闲状态)：指CPU在空闲时的休眠深度（C0为活跃状态，C1、C2、C3等休眠程度越来越深，关闭的电路单元越来越多），用于在空闲时最大限度地节能。

2.Linux

遵循ACPI规范：https://uefi.org/specs/ACPI/6.6

通过下面的命令查看Linux支持的电源状态：

cat /sys/power/state

Linux内核有如下电源状态：

freeze:冻结I/O设备,将它们置于低功耗状态,使处理器进入空闲状态，处于S2Idle状态下时，设备中断就可以将其唤醒。

Standby:除了冻结I/O设备外,还会暂停系统。由于系统核心逻辑单元保持上电状态，操作的状态不会丢失，也会很容易恢复到之前的状态。处于Standby状态时，可能需要依赖平台来设置唤醒源。

mem:运行状态数据存到内存,并关闭外设,进入等待模式，除了Memory需要进行自刷新来保持数据外，其他的所有设备都需要进入到低功耗状态，就是STR(Suspend to RAM)。除了实现Standby中的操作外，还有一些平台相关的操作要进行。由于存在掉电行为，因此Resume的时候需要重新进行配置,唤醒过程较慢，处于STR状态时，需要依赖平台设置唤醒源
disk:这个操作会将运行时的context保存在Disk这种非易失的存储器中，然后进行掉电操作，就是STD(Suspend-to-Disk)。比如当按下电源键进行唤醒时，然后恢复，唤醒过程最慢。

3.ARM

ARM设备常用于低功耗场景，因而电源管理是重要的设计考虑。ARM提供power policy unit(PPU)这样的标准电源管理组件，通过标准的P-channel硬件接口来统一电源管理。

ARM的系统级状态关乎整个SoC（片上系统）或设备集群的功耗管理，涉及内存、外设和电源控制器等的协同工作。

ON (S0)：整个系统处于全功能运行状态。
Standby/Sleep：通常指系统进入低功耗休眠模式，但具体实现因平台而异。例如，可能对应ACPI的S1（Standby）或S3（Suspend-to-RAM）状态。在S3状态下，系统除内存外的多数组件都会断电，当前运行状态保存在内存中，以实现快速恢复。
OFF (S5/SYSTEM_OFF)：系统完全关机，所有电源域被切断。需要外部事件（如按下电源按钮）才能重新启动。
复位 (Reset)：这不是一种低功耗状态，而是一种强制性的初始化状态。系统会终止当前所有操作，将硬件恢复到已知的初始状态，然后重新启动。

处理器核心电源状态 (Core Power States)是对单个处理器核心（CPU Core）电源管理的抽象，主要通过PSCI (Power State Coordination Interface) 接口进行管理。主要包括以下四种状态，功耗和唤醒延迟依次增加：

Run (运行状态)：这是处理器的正常工作模式。核心的电源和时钟均处于开启状态，可以执行指令。
Standby (待机状态)：在此状态下，处理器的时钟被关闭以节省动态功耗，但电源仍然保持开启，所有寄存器和缓存的状态都得以保留。可通过执行 WFI (Wait For Interrupt) 或 WFE (Wait For Event) 指令进入，并由中断事件快速唤醒，唤醒延迟极低。
Retention (保持状态)：这是一种更深度的低功耗状态。核心逻辑的电源被部分关闭，但其状态（包括寄存器内容）被特殊电路保留在低功耗结构中。唤醒时，状态可以自动恢复，无需软件干预，但其功耗比Standby状态更低，唤醒延迟相对较高。
Power Down (掉电状态)：这是最深的低功耗状态。核心的电源被完全关闭，其所有状态都会丢失。进入此状态前，软件必须将关键上下文保存到内存中。唤醒过程类似于一次冷启动，需要从复位向量重新开始执行代码，并由软件负责恢复之前保存的上下文，因此唤醒延迟最长。