EIST-智慧降頻技術，它能夠根據不同的系統工作量自動調節處理器的電壓和頻率，以減少耗電量和發熱量。它的引入，大大節省了CPU在低工作量的能耗，受到極大歡迎，從此每一代Intel CPU上都有了它的身影。本文介紹了它的歷史和工作原理
理論基礎
CPU耗電量可以用下面這個公式來衡量：
很像質能方程有沒有？其中C代表電容率（Capacitance），與CPU的製程和工藝等相關，在CPU出廠時就已經確定下來，是個常數（吐槽下，中文版的Wikipedia解釋是錯誤的）。P是能耗（Power），F代表頻率（frequency），V是電壓（Voltage）。當CPU在很高的頻率上執行時，效能很高但耗電量很大。如果我們能在CPU運算量不大時，讓它降頻執行，這樣我們就可以減少公式中P的消耗，同時我們可以降低電壓，從而更大的節約能耗，同時降低風扇等的噪音。如果這個降低不會降低使用者使用體驗，或者說使用者幾乎感覺不到，那何樂而不為呢？當然實際情況遠比這個複雜，如果給定任務，更快的算完，CPU可以進入更省電的C state，而不會傻等，實際省電不會像這個近乎三次方的關係，但是在大多數情況下還是可以極大的節省耗電。這就是EIST能省電的理論基礎。
歷史
1.史前時代
它的由來很有一段歷史了。話說，在很久很久以前，在遙遠的地方，有一個古堡。。。。。咳咳，對不起，穿越了。在Intel的奔騰晶片早期時代（I， II），CPU開機就以固定頻率執行，從不停歇。而人們大部分時間實際上是用不到CPU全部的算力的。因為膝上型電腦的特殊性，耗電問題尤為嚴重。
2.省電技術的引入
需求帶來了研發的動力，在1999年後期，一項代號為Geyserville （GV）的技術被引入奔騰M系列CPU。在2000年1月，這項技術有了官方的名字：SpeedStep。從此它就開始了一段不平凡的演化之路：
· SpeedStep (GV1.1)
最早被引入奔騰M III，也就是膝上型電腦版奔騰。原理十分簡單：雙模式工作——全功率模式和省電模式。插上電源時，全速工作；電池供電時，已幾乎一半主頻工作（當然可以手動切回全速模式）。
· Enhanced SpeedStep (GV2.1)
加入了根據工作量自動在兩個主頻間切換的功能。實際上CPU就可以工作在三種模式下了：省電模式，效能優先模式和自動模式。
· Enhanced SpeedStep (GV2.2)
加入了Deep Alert mode。可以已更低的電壓工作在省電模式下。
·EIST(Enhanced Intel SpeedStep Technology，GV3)
這版做出了巨大的改進，從此不再是隻有兩種頻率可以選擇了，而是有一個範圍可以選擇，通常以100MHz為一個步進（Step）。舉個例子，奔騰M 1。5GHz可以有1。5，1。4，1。3，1。2，1。1，1。0，0。9，0。8和0。7GHz可以選擇。
從此EIST進入了穩定期，改進主要集中提供在更多的步進，和進入多核CPU後，降頻的粒度上的改進。在後面原理部分有詳細的介紹。
作業系統在接受EIST上也經歷了一個過程，從最早的OS透明，全部由SMM完成（意味著延遲很大）；到由硬體供應商（IHV）提供驅動；最後現代的OS已經全部自帶全部支援，無需使用者操心。而韌體中EIST也從預設的關閉，到預設開啟，SMM模式的EIST程式碼也已經從韌體裡面消失了。EIST功能現在不但出現在筆記本CPU中，在臺式機和伺服器CPU中也變成了必不可少的關鍵功能。
工作原理
首先我們要明白，OS主導了在整個EIST在的各個頻率的切換，只有它最瞭解工作量。同時EIST要工作，硬體，韌體和OS三方缺一不可。我們也就從這三個方面介紹它的工作原理。
1.硬體
Intel CPU是EIST可以工作的硬體基礎。它透過一系列暫存器保證韌體和OS可以得到足夠的資訊，有足夠的手段控制EIST的工作模式。
2.韌體
說到韌體，不得不提到ACPI。ACPI全稱Advanced Configuration and Power Interface，我們以後再詳細介紹它，這裡只需要知道它是韌體和OS的電源管理介面和模型。其中ACPI規範定義了CPU的工作狀態，包含S-States（這個是整個系統）、C-States和P-States三種，其中S-States（Sleeping states）指系統睡眠狀態，C-States（CPU Power states）指CPU電源狀態，而P-States（CPU Performance states）則指CPU效能狀態。當然除了這三種外，還有G-States（全域性狀態）和D-States（裝置狀態）。整個關係如下圖：
而EIST各個工作頻率是透過在C0（C-states以後再介紹）下的各種P-states表現出來的。韌體要支援EIST，至少需要做以下工作：
1）檢測和開啟/關閉EIST
韌體可以透過CPUID來檢測CPU是否支援EIST，如果不支援就沒什麼事了。如果支援的話，主要的步驟就是使用WRMSR去寫IA32_MISC_ENABLES開啟EIST。
2）計算各種EIST引數
當韌體開啟CPU EIST以後就需要計算出該CPU支援的各種引數，如MinRatio（MaxEfficiencyRatio） 、MaxRatio、RatioStepSize和NumStates，所有這些資訊都可以透過CPU MSR直接或者間接的獲得，其中MinRatio MaxRatio都可以從PLATFORM_INFO中獲得（不同的bits），NumStates就是二者的差。CPU的工作頻率 = BCLK * Ratio，舊架構的CPU BCLK通常是由clock gen給出的，通常上是100/200 MHZ。新架構下CPU clock gen是內建的，BCLK固定是100MHZ。
這裡需要特別說明，在開啟Turbo Mode（官方名字：睿頻或智慧加速技術，Intel Turbo Boost Technology），最高頻率（即P0）要留給Turbo Mode。CPU會自動判斷該使用什麼樣的頻率。關於睿頻和它的原理，不在本文的範圍內。
3）填充各種ACPI的table
l. _OSC & _PDC
_0SC（Operating System Details） & _PDC（Processor Driver Capabilities）在功能上比較接近，基本上供OSPM（
Operating System-directed configuration and Power Management，作業系統電源管理模組 ）和OS驅動呼叫和韌體傳遞一些關於P-state是否支援和實現方式的一些設定；另外關於_PSD Coordination Type也是有_PDC提供的。
II . _PSS
Performance Supported States用於回報OSPM 該平臺所支援的Processor Performance States的數量 並且透過一個packaged list的形式回報出該P-State的internal CPU core frequency、typical power dissipation、control register values、status register values。第0個package表示該平臺所支援的最高的P-state，第n個package表示最低的P-state。Packaged lists的格式如下所示，其中需要說明的是關於Control和Status這兩個引數，其中Control表示要寫到 MSR IA32_PERF_CTRL中的值，Status用於當OSPM透過WRMSR 寫完IA32_PERF_CTR之後再讀取IA32_PERF_STATUS中的值並和Status做比較 以確定P-state切換是否已經完成。
前面部分已經提到如何計算MinRatio、MaxRatio、RatioStepSize、NumStates的值了，我們就可以將這些值填入_PSS packaged lists之中了。下面是一個_PSS的具體的例子，這個例子中MinRatio = 0x0c、MaxRatio = 0x10、RatioStepSize = 0x01、NumStates = 5。
Name （_PSS， Package（）
{
Package（）{1600， 21500， 10， 10， 0x0010， 0x0010}，
Package（）{1500， 14900， 10， 10， 0x000F， 0x000F}，
Package（）{1400， 8200， 10， 10， 0x000E， 0x000E} ，
Package（）{1300， 14900， 10， 10， 0x000D， 0x000D}，
Package（）{1200， 8200， 10， 10， 0x000C， 0x000C}
}） // End of _PSS object
另外當該平臺支援Turbo Mode時 P0將會report為Turbo Mode。
需要說明的是一般的做法是在SSDT中填入空的_PSS佔位表，而當正式啟動時，再根據前面的計算結果修改（Patch）入正確的值。
III．_PCT
Performance Control用於將P-state MSR interface 報告給OSPM，OSPM透過_PCT 報告出來的操作切換P-states（OSPM不止執行在Intel CPU上），在過去，這裡往往返回一個IO埠，用於陷入（trap）SMM，由韌體來透過MSR切換不同的狀態。在新近的CPU架構下_PCT通常report native mode也就是FFH的方式，然後OSPM就透過CPU 驅動（它知道要操作哪些MSR）來切換。
lV. _PPC
Performance Present Capabilities用於動態的告知OSPM該平臺當前所支援的最高級別的P-state，它返回的值就是_PSS中的Packaged lists中的entry num，如_PPC return 0表示支援_PSS中report的所有的P-state ［p0，pn］； return 1就表示支援［p1，pn］之間的P-state。
上面的邏輯透過程式看可能會更加直觀。大家可以訪問在Github上的Minnow3專案的源程式。
1）和2）的程式碼在
https：//
github。com/tianocore/ed
k2-platforms/blob/devel-MinnowBoard3/Silicon/BroxtonSoC/BroxtonSiPkg/Cpu/PowerManagement/Dxe/PerformanceStates。c
3）的程式碼在tianocore/edk2-platforms
3.OS
如前所述，OS知道現在的工作量，由它來決定是不是要在各個P-states之間遷移。對Windows來說，其維護一個叫做電源策略管理器（power policy manager）的模組，在使用者選擇了不同的執行場景（可以呼叫powercfg。exe檢視修改）情況下，根據目前工作量來呼叫processr。sys，這是個通用驅動，它再呼叫不同的CPU廠商的特有驅動來切換，Intel的EIST驅動是intelppm。sys，在Win10裡你還可以找到它。需要指出的是，intelppm。sys並不是Intel產出的，他是微軟為Intel CPU寫的驅動，這和很多板卡驅動由硬體供應商來提供不同。Linux的支援始於Linux 2。6，由cpufreq來提供支援。
後記
所有的知識點都介紹完了，下面就是彩蛋部分了。前面提到的降頻在粒度上的改進，是指每次降頻的作用範圍。過去一次降頻需要整個Package裡的所有core都進入同一頻率，從而最高的可以下降的頻率決定了最後頻率（進入C-state的除外）。而在引入了內嵌的電壓管理器後，不同的core可以進入不同的pstate（per core pstate），從而更加省電。這項技術需要韌體對Domain等做一些調整，而對OS是透明的。
一些有意思的分支話題我們可以深入思考一下：
1。 CPU在C0狀態下有兩種手段降低功耗的方法，其一是之前介紹過的P-state，另一個就是T-state。T-sate全稱就是Processor Throttling States，它為OSPM提供另一種降低系統負載和溫度的能力，聽上去可能和P-state很像，其實是有區別的，你知道是在哪裡嗎？
2。 AMD提供了類似技術：Cool ‘n’ Quiet。俗稱冷又靜，它和EIST的區別在哪裡呢？
其他CPU電源管理文章：
CPU省電的秘密（二）：CStates - 知乎專欄
睿頻：榨乾CPU所有的潛力（CPU電源管理系列番外篇） - 知乎專欄
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