[UEFI] Learn UEFI by RPI4 -- 2. ACPI

山猫Show

已于 2024-05-30 13:58:39 修改

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分类专栏： UEFI 文章标签： uefi linux

于 2024-05-30 13:48:19 首次发布

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书接上回：[UEFI] Learn UEFI by RPI4 – 1. Prepare and Build
其实ACPI对于UEFI来说已经不算是基础内容了，之所以放在这里，主要是因为我最近在看ACPI。

ACPI简介

ACPI（Advanced Configuration and Power Interface）是一种电源管理标准，用于控制电脑硬件的配置和电源管理。ACPI最初由英特尔、微软和东芝等公司发起开发，旨在取代旧的电源管理标准，如APM（Advanced Power Management）和PnP（Plug and Play）。ACPI通过在操作系统和硬件之间引入一个统一的接口，实现了更精确和高级的电源管理功能。它包括了一套规范、一组固件和一套操作系统驱动程序，可以协调处理器、电源、存储器、外围设备等硬件资源的使用和配置。ACPI标准定义了一种描述计算机硬件和软件配置的语言，称为ACPI描述语言（ACPI Description Language，ASL）。通过ASL，系统设计者可以定义硬件配置、设备连接和电源管理策略等信息。操作系统读取这些信息并相应地调整硬件的行为。

ACPI的主要功能包括：

电源管理：ACPI可以控制和管理计算机的电源使用，包括节能模式、待机模式和休眠模式等。它可以根据用户的需求和系统的状态自动调整电源设置，以延长电池寿命并降低能耗。
设备配置和连接：ACPI可以检测和配置计算机中的硬件设备，包括处理器、内存、外围设备等。它还可以实现热插拔功能，即在运行时插入或拔出设备而无需重启计算机。
系统状态管理：ACPI可以跟踪和管理系统的状态，包括开机、关机和重启等。它还可以监测硬件故障和错误，并提供相应的错误处理和恢复机制。

ACPI中必须存在的几张表

在ACPI（高级配置与电源接口）规范中，必须包含以下几张表：

RSDT (Root System Description Table) 或 XSDT (Extended System Description Table): 这些表包含了指向系统中所有其他ACPI表的指针。XSDT是RSDT的扩展，支持64位地址，而RSDT仅支持32位地址。
DSDT (Differentiated System Description Table): 这是最重要的ACPI表之一，包含了大量的AML（ACPI Machine Language）代码，用于描述系统硬件的配置和电源管理功能。DSDT表允许操作系统查询和控制硬件设备的电源状态。
FADT (Fixed ACPI Description Table): 提供了指向其他重要ACPI表的指针，并包含了系统级电源管理和配置信息，如系统电源状态、睡眠按钮功能、唤醒事件等。
MADT (Multiple APIC Description Table): 描述了系统中的中断控制器信息，包括本地APIC和I/O APIC的配置。这对于操作系统来说是必要的，以便正确地处理硬件中断。
SSDT (Secondary System Description Table): SSDT通常用于补充DSDT表中的信息，提供额外的设备描述。一个系统可以有多个SSDT表。

1. Root System Description Pointer (RSDP)

根系统描述指针 (RSDP) 结构位于系统的内存地址空间中，由平台固件设置。此结构包含扩展系统描述表 (XSDT) 的地址，该表引用向 OSPM 提供数据的其他描述表，为其提供有关基础系统实现和配置的知识（请参阅根系统描述指针和表）。所有系统描述表都以相同的标题开头。RSDT（根系统描述表）是ACPI中的一个关键数据结构，它包含指向所有其他系统描述表的指针。RSDT的主要作用是作为一个目录，帮助操作系统找到并解析其他ACPI表。

结构：RSDT表的结构包括一个标准的ACPI表头和一个指针数组，每个指针指向一个其他的ACPI表。
作用：RSDT用于定位和访问其他ACPI表，如FADT、DSDT、MADT和SSDT等。
验证：RSDT表需要通过校验和验证，以确保其完整性和正确性[2][6]。

扩展系统描述表 (XSDT) 指向内存中的其他表。它始终是第一个表，指向固定 ACPI 描述表 (FADT)。此表中的数据包括各种固定长度的条目，这些条目描述硬件的固定 ACPI 功能。
FADT 表始终引用差异化系统描述表 (DSDT)，其中包含各种系统功能的信息和描述。这些表之间的关系显示在描述表结构中。

struct ACPISDTHeader {
    char Signature[4];    // 表签名
    uint32_t Length;      // 表长度
    uint8_t Revision;     // 版本
    uint8_t Checksum;     // 校验和
    char OEMID[6];        // OEM ID
    char OEMTableID[8];   // OEM 表 ID
    uint32_t OEMRevision; // OEM 版本
    uint32_t CreatorID;   // 创建者 ID
    uint32_t CreatorRevision; // 创建者版本
};

在这里插入图片描述

2. DSDT（Differentiated System Description Table）

DSDT（差异化系统描述表）是ACPI中的一个主要表，用于描述系统的外围设备。DSDT包含了设备的详细信息，如I/O端口、IRQ、内存映射等。

结构：DSDT表由一个标准的ACPI表头和一段AML（ACPI Machine Language）代码组成。
作用：DSDT用于定义系统中的硬件设备及其电源管理功能。例如，当操作系统需要关闭系统时，它会查找DSDT中的_S5对象来执行关机操作。
生成：硬件制造商使用ASL（ACPI Source Language）编译器生成DSDT的AML字节码[5][6]。

DefinitionBlock ("", "DSDT", 2, "OEMID", "OEMTABLE", 0x00000001)
{
    Device (DEV0)
    {
        Name (_HID, EisaId ("PNP0C0F"))  // 设备ID
        Name (_UID, 0x01)                // 唯一ID
        Method (_STA, 0, NotSerialized)  // 状态方法
        {
            Return (0x0F)  // 设备存在且已启用
        }
        Method (_PS0, 0, NotSerialized)  // 电源状态0 (D0)
        {
            // 启动设备的代码
        }
        Method (_PS3, 0, NotSerialized)  // 电源状态3 (D3)
        {
            // 关闭设备的代码
        }
    }
}

3. FADT（Fixed ACPI Description Table）

FADT（固定ACPI描述表）是ACPI中的一个数据结构，包含与电源管理相关的固定寄存器块的信息。

结构：FADT表包括一个标准的ACPI表头和多个字段，这些字段提供了电源管理所需的各种硬件信息。
作用：FADT用于定义系统的固定硬件特性，如电源管理寄存器、系统控制中断（SCI）等。它还包含指向DSDT的指针。
字段：FADT表的字段包括FirmwareCtrl、Dsdt、PreferredPowerManagementProfile等[4][6]。

struct FADT {
    struct ACPISDTHeader h;
    uint32_t FirmwareCtrl;
    uint32_t Dsdt;
    uint8_t Reserved;
    uint8_t PreferredPowerManagementProfile;
    uint16_t SCI_Interrupt;
    uint32_t SMI_CommandPort;
    uint8_t AcpiEnable;
    uint8_t AcpiDisable;
    uint8_t S4BIOS_REQ;
    uint8_t PSTATE_Control;
    uint32_t PM1aEventBlock;
    uint32_t PM1bEventBlock;
    uint32_t PM1aControlBlock;
    uint32_t PM1bControlBlock;
    uint32_t PM2ControlBlock;
    uint32_t PMTimerBlock;
    uint32_t GPE0Block;
    uint32_t GPE1Block;
    uint8_t PM1EventLength;
    uint8_t PM1ControlLength;
    uint8_t PM2ControlLength;
    uint8_t PMTimerLength;
    uint8_t GPE0Length;
    uint8_t GPE1Length;
    uint8_t GPE1Base;
    uint8_t CStateControl;
};

4. MADT（Multiple APIC Description Table）

MADT（多APIC描述表）是ACPI中的一个表，提供了系统中断控制器的信息，主要用于多处理器系统。

结构：MADT表由一个标准的ACPI表头和一系列可变长度的记录组成，这些记录描述了系统中的中断设备。
作用：MADT用于枚举系统中的处理器和中断控制器，帮助操作系统配置和管理中断。
记录类型：MADT表中的记录类型包括处理器本地APIC、I/O APIC、中断源覆盖等[3][6]。

struct MADT {
    struct ACPISDTHeader h;
    uint32_t LocalAPICAddress;
    uint32_t Flags;
    // 可变长度的记录
};

5. SSDT（Secondary System Description Table）

SSDT（次级系统描述表）是ACPI中的一个表，用于补充DSDT，提供额外的AML代码以与设备交互。

结构：SSDT表的结构与DSDT相似，由一个标准的ACPI表头和一段AML代码组成。
作用：SSDT用于定义DSDT中未包含的系统组件和功能，提供额外的设备定义和电源管理功能。
用途：SSDT通常用于定义热插拔设备、动态加载的设备等[1][6]。

DefinitionBlock ("", "SSDT", 2, "OEMID", "OEMTABLE", 0x00000001)
{
    Device (DEV1)
    {
        Name (_HID, EisaId ("PNP0C0F"))  // 设备ID
        Name (_UID, 0x02)                // 唯一ID
        Method (_STA, 0, NotSerialized)  // 状态方法
        {
            Return (0x0F)  // 设备存在且已启用
        }
        Method (_PS0, 0, NotSerialized)  // 电源状态0 (D0)
        {
            // 启动设备的代码
        }
        Method (_PS3, 0, NotSerialized)  // 电源状态3 (D3)
        {
            // 关闭设备的代码
        }
    }
}

ACPI的历史

ACPI标准的第一个版本于1996年12月发布，支持16、24和32位寻址空间。2000年8月，ACPI 2.0版本引入了64位地址支持以及多处理器工作站和服务器的支持。此后，ACPI标准不断发展，增加了对SATA接口、PCI Express总线、USB 3.0、ARM架构等的支持。最新的ACPI 6.5版本于2022年8月发布。

ACPI的架构

ACPI架构由多个关键组件组成，包括ACPI表、ACPI BIOS和ACPI寄存器。

ACPI表

ACPI使用多个表来存储有关硬件配置和系统状态的信息。这些表对于操作系统理解硬件能力和管理硬件至关重要。主要的ACPI表包括：

DSDT（Differentiated System Description Table）：包含系统的大部分ACPI数据，包括大多数硬件组件及其电源管理功能的定义。
SSDT（Secondary System Description Table）：提供DSDT中未包含的系统组件的附加定义。
FADT（Fixed ACPI Description Table）：提供各种硬件组件正确操作所需的静态信息，包括系统级信息和指向其他表的指针。
MADT（Multiple APIC Description Table）：包含有关系统中断控制器的信息，主要用于多处理器系统。

ACPI BIOS

系统固件或BIOS包含ACPI实现，提供操作系统接管系统资源管理所需的初始ACPI表和接口。ACPI BIOS负责在操作系统接管之前引导ACPI环境。

ACPI寄存器

ACPI硬件寄存器分为固定硬件寄存器和通用硬件寄存器。固定硬件寄存器需要实现ACPI定义的接口，而通用硬件寄存器则用于任何由增值硬件生成的事件。ACPI寄存器模型包括状态/使能寄存器和控制寄存器。

ACPI的功能

ACPI提供了一系列关键功能，促进了现代计算系统的设备管理、电源效率和系统响应能力。这些功能包括：

电源管理：ACPI定义了设备电源状态（D状态）、处理器状态（C状态和P状态）以及系统状态（S状态，如睡眠和休眠）的管理方法。
事件处理：ACPI定义了处理与电源、热管理和其他系统功能相关的各种系统事件的机制。
热管理：ACPI允许操作系统根据温度变化动态调整系统策略，以确保最佳性能和电源使用。

ACPI架构图

为了更好地理解ACPI（高级配置与电源接口）的架构，我们可以通过一张架构图来展示其主要组件及其相互关系。以下是ACPI架构的简要说明和示意图。

ACPI架构的主要组件

ACPI表（ACPI Tables）：
- DSDT（Differentiated System Description Table）：包含系统的大部分ACPI数据，包括大多数硬件组件及其电源管理功能的定义。
- SSDT（Secondary System Description Table）：提供DSDT中未包含的系统组件的附加定义。
- FADT（Fixed ACPI Description Table）：提供各种硬件组件正确操作所需的静态信息，包括系统级信息和指向其他表的指针。
- MADT（Multiple APIC Description Table）：包含有关系统中断控制器的信息，主要用于多处理器系统[2][3][4][5]。
ACPI BIOS：
- 系统固件或BIOS包含ACPI实现，提供操作系统接管系统资源管理所需的初始ACPI表和接口。ACPI BIOS负责在操作系统接管之前引导ACPI环境[4]。
ACPI寄存器（ACPI Registers）：
- ACPI硬件寄存器分为固定硬件寄存器和通用硬件寄存器。固定硬件寄存器需要实现ACPI定义的接口，而通用硬件寄存器则用于任何由增值硬件生成的事件[4]。
AML（ACPI Machine Language）：
- ACPI表使用一种称为ACPI机器语言（AML）的字节码语言编码。操作系统中的ACPI组件解释AML字节码，允许操作系统直接管理系统硬件资源[3][4]。

ACPI架构图示意

以下是ACPI架构的示意图，展示了其主要组件及其相互关系：
在这里插入图片描述

详细说明

ACPI表：这些表存储有关硬件配置和系统状态的信息，操作系统通过这些表了解硬件能力并进行管理。
ACPI BIOS：在系统启动时加载ACPI表，并提供初始的ACPI环境。
ACPI寄存器：用于管理硬件事件和状态。
AML：ACPI表中的AML代码由操作系统解释，用于定义事件、设备配置和电源状态。

ACPI代码示例

以下是一个简单的ACPI代码示例，展示了如何使用ACPI Machine Language（AML）定义设备的电源管理功能：

DefinitionBlock ("", "DSDT", 2, "OEMID", "OEMTABLE", 0x00000001)
{
    Device (DEV0)
    {
        Name (_HID, EisaId ("PNP0C0F"))  // Device ID
        Name (_UID, 0x01)                // Unique ID
        Method (_STA, 0, NotSerialized)  // Status method
        {
            Return (0x0F)  // Device is present and enabled
        }
        Method (_PS0, 0, NotSerialized)  // Power state 0 (D0)
        {
            // Code to power on the device
        }
        Method (_PS3, 0, NotSerialized)  // Power state 3 (D3)
        {
            // Code to power off the device
        }
    }
}