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什么是Win10的“现代待机”？为什么它未来会越来越重要？

什么是Win10的“现代待机”？为什么它未来会越来越重要？
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SurfacePro系列的用户很早就发现一个很有趣也非常实用的功能 ， 合盖后还可以接收各种通知和邮件 。 这种可以媲美手机的高级特性叫做“现代待机”（ModernStandby） ， 它实际上有了十年左右的历史 ， 一路走来 ， 十分艰难 。 伴随着它坎坷命运的是它的名字 ， 在最初 ， 它叫做Instant-on ， Windows8上市的时候叫做ConnectedStandby ， 后改名叫做InstantGo ， 在Windows10为了包容性 ， 改名ModernStandby（现代待机） ， 包含ConnectedStandby和DisconnectedStandby两种模式 。 对于CPU和BIOS固件工程师来说 ， 它的名字叫做S0ix ， 而对于设备厂商和固件来讲 ， 它又和RTD3（RuntimeD3）紧密相关 。 这么多年下来 ， ModernStandby的普及率还很低 ， 这和它的复杂性紧密相关 。 所幸随着新一代的CPU们逐渐占领市场 ， 老旧的S3睡眠模式重要要慢慢地被扫入历史的垃圾堆中 ， 而更多的人可以慢慢享受到ModernStandby带来的便捷与舒适中去了 。 所谓由俭入奢易 ， 由奢入俭难 ， 一旦大家尝到个中滋味 ， 那就回不去了 ， 这也是技术发展的魅力所在 。
那么这个现代待机为什么会被发明出来？中间经历了哪些坎坷？怎么看自己的机器支持不支持它？这些问题我们今天就一起来探究一下 。 当然作为一个技术专栏 ， 也会介绍一下其中的技术难点 ， 这对理解这项技术为什么迟迟不能推广紧密相关 。
缘起
【什么是Win10的“现代待机”？为什么它未来会越来越重要？】PC机在出现的前十几年 ， 关注的主要是提高性能 ， 而不是节省电力 。 在笔记本这种便携式设备出现后 ， 才开始考虑如何省电 ， 以延长电池的供电时间 ， 这样各种省电状态被发明了出来 ， ACPI标准囊获了这些发明 ， 其中包括系统级的S1、S3、S4；CPU级的C0/C1/C2/C3;设备级别的D0/D1/D3等等 。
什么是Win10的“现代待机”？为什么它未来会越来越重要？
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一切工作的很好：笔记本暂时不用 ， 合上盖子 ， 进入S3状态；想要用的时候 ， 打开盖子 ， 在一秒钟以后 ， 进入操作系统 。 动作如行云流水 ， 比关机重开机体验好太多 。 这下各方都满意了 ， 也变成了约定俗成的标准操作方法 ， 没有任何人有疑问 ， 直到智能手机出现在地平线上 。
苹果的iPhone教育了市场 ， 让大家看到 ， 手机还可以这么用 ， 这么好用！记得那时我拜访Apple总部 ， 相熟的工程师从兜里拿出一个手机向我炫耀 ， 说公司每个发了一个 。 我微微一笑 ， 没说什么 。 心里想：“苹果刚做手机 ， 能做好吗？有黑莓好吗？我口袋里的摩托罗拉表示不服！”朋友看我不以为然 ， 立刻表演了起来 ， 左划划 ， 右划划 。 我表示这些是奇技淫巧 ， 好麻烦！谁知道没过几年 ， 大家都开始用起来智能手机 ， 高通和MTK等等芯片厂商大赚特赚 ， 这里按下不表 。
另一头 ， Wintel两兄弟坐不住了 ， 也要向智能手机进发 。 WindowsCE+IntelCPU是否可以扫平他们呢？现在我们当然知道结果 ， 可当时的人们并非没有信心 ， 当时人们认为有一个明显的优势：可以把Wintel巨量的用户无缝导入WindowsPhone市场 。 CPU的性能当然没有问题 ， 但一个摆在眼前的难题是功耗 。 为此阉割了指令集和流水线 ， 定制出Atom系列CPU ， 但问题并没有完全解决 。
iPhone几乎没有任何人会关闭电话 ， 按下电源键也只是关闭屏幕而已 ， 重要的短信和推送的消息都会收到并提醒 ， 人们想用手机时按一下键 ， 屏幕立刻亮了起来 ， 无需等待 。 如果谁指望胃口被养叼了的用户能够忍受某新手机 ， 按下电源键就完全变木头 ， 想用的时候要一秒钟以后才有反应 ， 那一定是疯了 。 S3睡眠不能满足客户 ， 但仅仅关闭屏幕 ， 让CPU进入C2或者C3 ， 功耗又比ARM阵营高的多 ， 此路也不通 。 看过我介绍CState文章的同学们应该知道 ， 最深的CState只是让CPU内核部分进入了功耗几乎为0的状态 ， 而CPU的uncore/SA/NorthComplex部分则继续工作（近期的UFS改善了这点） ， 更糟的是PCH(SouthComplex)和主板上其他的芯片也无怨无悔的全力工作并贡献自己的功耗 。
ARM阵营的大部分手机待机功耗只有数毫瓦 ， 而Wintel新样机的待机功耗高达到数百毫瓦 。 如何填补其中的巨大黑洞 ， 成为了微软和英特尔工程师必须解决的问题 。
解决方案
为了匹敌ARM阵营的特性 ， Wintel一起提出了InstantOn/Off（ConnectedStandby）的技术 。 顾名思义 ， 这项技术要求按下电源键立刻屏幕点亮、系统可用 ， 同时要求系统在待机状态（Standby）模式下 ， 网络通信等必要设备必须能够唤醒设备 ， 以保持通信通知等畅通 。 系统0秒启动和保持可用 ， 要求必须是S0的开机状态 ， 同时又要求待机功耗在数毫瓦 ， 大致是S3的功耗 ， 这种奇怪的组合就是所谓S0ix（最深的是S0i3）的由来了 。
为了达成这个目标 ， 从硬件到软件做了极大的改动 ， 付出了非常多的努力 。 我们都知道 ， 只是把ClockGating住 ， 可以降低功耗 ， 但要达成0功耗 ， 必须关闭电力输入 ， 就是要PowerGating 。 而关闭电力 ， 就意味着芯片里面的状态机全部复位了 ， 粗浅的理解就是寄存器等全部清0了 ， 要恢复可用 ， 必须重新初始化寄存器 ， 这就是S3回来的时候 ， BIOS在那个1秒钟主要干的事情 。 而现在又要求不能有这个1秒钟 ， 所以寄存器内容或者说状态机状态就不能丢失 ， 怎么做到呢？
只有靠芯片自己记住自己的状态了 。 芯片内部电源管理模块会按照步骤 ， 一步步关闭芯片内部区域（S0->S0i1->S0i2->S0i3）,并把寄存器/状态保存在内部的nvram中 ， 并切断这些区域的供电 ， 让其功耗接近0；在恢复的时候 ， 则反着来 ， 一步步恢复寄存器 。 相当于做了个快照 ， 一会再恢复回来 。 由于这个过程是硬件完成的 ， 速度很快 。
对芯片外部的设备来说 ， 不需要通知的设备要进入D3cold状态 ， 功耗为0 。 这一般由BIOS报告ACPI ， 操作GPIO来关闭设备的Powerrail 。 对于需要唤醒的设备 ， 必须支持一种叫做RuntimeD3（RTD3）的状态 ， 把信息offload到该设备处理 ， 并在必须时才唤醒CPU和其他处于低功耗的设备 。
对整个系统来说 ， 是从外到内部一步步进入S0i3的状态中去的：
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先是CPU/SOC外部设备进入D3cold ， 接下来通讯设备进入RTD3 ， 下来是芯片组和uncore ， 然后是Core和GPU ， 最后是扫尾的电路 。 一步一步 ， 中间如果谁拒绝进入低功耗状态 ， 整个链路就会中断 ， 回到普通的运行模式 。
软件也需要调优 ， 不能有任何软件拒绝系统进入deepestidleruntimeplatformstate(DRIPS) 。 Window会通过一系列步骤才能达到最后的低功耗状态 ， 详见参考资料1
别看这么多步骤 ， 效果还是非常让人满意的 ， 最终达成了和手机相同的用户体验 。 细心的同学可能看出来了 ， 如果要让这个过程顺利完成 ， 仅仅因为Windows和IntelCPU支持是不够的 ， 必须主板 ， 外围器件和BIOS都支持并很好的调优过 ， 才能顺利达成 ， 是个系统工程 。
尾声
我们都知道WindowsPhone并没有一统江湖 ， 反而寂寂无声了 。 但ConnectedStandby这种好技术和它带来的用户体验却不能放弃 。 Windows10把它拔高成ModernStandby ， 并支持两种mode：
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ConnectedStandby是待机后Wifi、network等还有效 ， DisconnectedStandby是这些也进入D3cold了 。 它们和老式的S3的区别是都支持InstantOn ， 也就是即开即用 。
怎么看自己的电脑是不是支持ModernStandby呢？打开Command窗口或者PowerShell：
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红框就是所谓的现代待机 。 显然我的机器并不支持它 。
最后是一些其他的信息：
1.虽然现在只有部分笔记本支持ConnectedStandby ， 但未来台式机也会支持它 。 并且过一段时间S3甚至都会被淘汰 。
2.S3和ConnectedStandby是互斥的 。


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