ACPIと電源・デバイス状態の抽象化

ACPI が解く問題：電源管理の方針と機構の分離

ノートPCの蓋を閉じると数秒でサスペンドし、開ければ即復帰する。この当たり前の挙動の裏には、ハードウェアの電源制御をOSが直接叩かずに済ませる抽象層が必要です。チップセットやレジスタの番地はマシンごとに違うため、もしOSが機種ごとの直接制御を持てば移植性が崩壊します。

ACPI（Advanced Configuration and Power Interface） はこの問題を、方針（policy）と機構（mechanism）の分離で解きます。いつ・何を省電力にするかの方針はOSが握り、このハードでどのレジスタをどう叩くかの機構はファームウェアがテーブルとして提供する。OSはテーブル内の手続きを実行するだけで、物理的な詳細を知らずに遷移できます。これは旧来の APM（電源制御をBIOSが丸ごと握る方式）とは逆の発想で、制御権をOS側に取り戻したのが ACPI の本質です。

ACPI の状態は直交する複数の軸で定義される点が要です。一つの数字ではなく、システム・CPU・デバイスをそれぞれ別の状態空間で表します。

S 状態：システムをどこまで眠らせるか

S 状態は G1（スリープ）の深さを表し、どこまで電源を切り、どこに状態を残すかで段階が分かれます。実務で意味を持つのは主に S3 と S4 です。

S3（Suspend to RAM） は、RAM をセルフリフレッシュモードで給電し続け、CPU とほとんどのデバイスを止めます。メモリ内容がそのまま残るので、復帰はチップセットの初期化とデバイスの再開だけで済み、数秒で戻ります。代償として、待機中もわずかに電力を消費し、給電が切れれば状態は失われます。

S4（Suspend to Disk＝ハイバネート） は、メモリ全体の内容を不揮発ストレージへ書き出してから完全に電源を切る方式です。OS は物理メモリのイメージ（ハイバネーションイメージ）をスワップ領域や専用ファイルへ保存し、電源を落とします。無給電で状態を保てる一方、復帰時はファームウェアが起動した後にイメージを読み戻す必要があり、書き出し・読み戻しの I/O 量に比例して遅くなります。メモリ像をストレージへ退避する考え方は /os/swap-mechanism-internals/ の匿名ページ退避と同根です。

C 状態：動作中の CPU をどこまで止めるか

C 状態は S0（システム動作中）における CPU 単体のアイドル深度で、S 状態とは別軸です。アイドルループに入った CPU を、どこまで眠らせるかを表します。

C0  実行中（命令を処理している）
C1  クロック停止（halt）。復帰は即時に近い
C2  追加でバスを止める等。やや復帰が遅い
C3+ キャッシュをフラッシュ・電圧を下げる。省電力大・復帰遅延大

深い C 状態ほど消費電力は下がりますが、復帰遅延（exit latency）が増えるトレードオフがあります。さらに C3 以深ではコアのローカルタイマ（LAPIC タイマ）が止まることがあり、カーネルは別のクロックソースへ切り替えてタイマを維持します。OS のアイドルガバナは、次のタイマ満了までの予測時間と各 C 状態の復帰遅延を突き合わせ、「この眠りで損をしないか」を見積もって深さを選びます。

ファームウェアと OS の責務分担：AML というインタプリタ

ACPI の心臓部は、ファームウェアが提供するテーブル群です。OS は起動初期に RSDP（ルートポインタ）を手がかりに XSDT を辿り、そこから各テーブルへ到達します。中でも DSDT（Differentiated System Description Table） が重要で、デバイスの構成と電源制御の手続きが AML（ACPI Machine Language） というバイトコードで記述されています。テーブルの取得はブート初期の仕事で、その位置づけは /os/boot-chain-internals/ の流れの中にあります。

ここが ACPI の巧妙な点です。OS は AML を直接ハードへ流すのではなく、カーネル内の AML インタプリタ で実行します。たとえば「このデバイスを D3 に落とせ」という要求は、DSDT 内の _PS3 という制御メソッドを呼ぶことで実現され、その中身（どのレジスタにどの値を書くか）はファームウェア作者がマシンごとに書いています。OS はメソッド名という抽象だけを知り、機種固有の物理操作を知らずに済みます。

電源管理に関わる代表的な制御メソッドを名前で押さえておくと、ログ解析が一気に楽になります。_PSx（デバイスを Dx へ）、_PRx（Dx で必要な電源リソース）、_Sx（システム S 状態への対応値）、_PRW（ウェイク可能な電源と GPE）、_PSW（ウェイクの有効/無効）などが、ACPI ダンプに現れます。

デバイス電源（D 状態）とシステム遷移の連動

サスペンドは「システムをいきなり止める」のではなく、各デバイスを順序立てて D 状態へ落としてからシステム S 状態へ移る、という入れ子の手続きです。ここでデバイス電源管理とシステム電源管理が噛み合います。

D 状態は D0（全開）から D3（最小）までで、D3 はさらに D3hot（デバイスへの主電源は残るが内部は停止、レジスタアクセス可）と D3cold（電源リソースを切り、レジスタにも触れない）に分かれます。デバイスを深い D 状態へ落とすほど省電力ですが、復帰時の再初期化コストが増えます。各デバイスがどの S 状態でどの D 状態を取れるか、どのデバイスがウェイクを起こせるかは、前述の _Sx・_PRW メソッドが規定します。

サスペンドの流れは概ね次のように進みます。

[サスペンド into S3]
1. ユーザー空間を凍結（freeze）し、I/O を静める
2. 各ドライバの suspend コールバックを依存順に呼ぶ
     → デバイス状態をレジスタ等へ退避
     → ウェイク非対応デバイスは D3 へ、対応デバイスは
       ウェイク可能な電源だけ残す
3. 非ブート CPU をオフラインにし、割り込みを止める
4. ファームウェア（AML の _Sx 処理）へ制御を渡し、
   チップセットがハードを S3 へ落とす
[復帰]
5. ファームウェアがチップセットを再初期化し、OS の復帰点へ
6. CPU/割り込みを戻し、ドライバの resume を逆順に呼ぶ
     → 退避した状態を書き戻し、デバイスを D0 へ
7. ユーザー空間を解凍

復帰のきっかけとなるウェイクイベントは、ACPI の GPE（General Purpose Event） や PME（PCIe の Power Management Event）として上がり、割り込みとしてカーネルに届いて復帰処理を起動します。「どのデバイスがどの条件で起こせるか」を _PRW が、起こす能力の有効化を _PSW が制御します。蓋スイッチや電源ボタン、Wake-on-LAN がこの仕組みで効きます。割り込みとして受ける側の機序は /os/interrupt-top-bottom-half/ と地続きで、各ドライバの suspend/resume コールバックの呼び出しは /os/device-driver-model/ のドライバモデルが順序付けます。

まとめ

• ACPI は電源管理の方針（OS）と機構（ファームウェアのテーブル＋AML）を分離し、OS がハードを直接触らずに遷移できる抽象層を提供する。APM と違い制御権は OS 側にある。
• 状態は直交する複数軸で定義される。G＝システム大分類、S＝スリープ深度、C＝動作中 CPU のアイドル深度、D＝個々のデバイス電源。
• S3 は RAM 給電で状態を保持し復帰が速い、S4 はメモリ像をディスクへ書き出し無給電で保持するが復帰が遅い。近年は S0ix（モダンスタンバイ）も普及。
• サスペンドは各デバイスを依存順で D 状態へ落としてからシステム S 状態へ移る入れ子の手続き。ウェイク可能デバイスだけ電源を残し、GPE/PME で復帰する。
• 責務は、ファームウェア（テーブルと AML メソッドの提供）、OS（AML 実行・順序付け・方針）、ドライバ（自デバイスの退避と復元）に分かれる。