TechReport: Power Management

Das von Intel und Microsoft spezifizierte Advanced Power Management ist in jedem modernen PC zu finden – und doch nicht mehr als eine brüchige Krücke.

Bereits 1996 machten sich Intel und Microsoft Gedanken über die Implementierung von Energiesparfunktionen in Personal Computern. Heraus kam das Advanced Power Management, kurz APM. Den meisten Anwendern werden die integrierten Energiesparoptionen ihres Computers täglich vor Augen geführt. Das nette grün-gelbe Logo des Energy Star, das die meisten Einschaltmeldungen des BIOS ziert, weist darauf hin, dass der Rechner mit Funktionen zur Reduzierung des Energiebedarfs ausgestattet ist.

Kommunikation auf drei Ebenen

Versierte PC-Anwender kennen die APM-Funktionen aus dem BIOS-Setup. Hinter dem meist „Power Management“ genannten Menüpunkt finden sich Optionen, mit deren Hilfe sich der Bildschirm abschalten, die CPU verlangsamen oder die Festplatten in den Ruhezustand fahren lassen. Auch Ereignisse, die zur Wiederbelebung des Systems führen, sind hier definierbar. Dabei kann es sich um Tastatureingaben, Mausbewegungen, einen eingehenden Modemruf oder Aktivität der Netzwerkkarte handeln. Doch die BIOS-Einstellungen sind nur ein Teil der APM-Spezifikation.

APM unterteilt einen Rechner in drei logische Bereiche: BIOS, Betriebssystem und Anwendungssoftware. Entsprechend dieser Vorgabe ist der Aufbau von APM gegliedert. Im BIOS selbst finden sich Routinen, die für die Steuerung der auf dem Motherboard integrierten Hardware verantwortlich zeichnen. Über eine spezielle Schnittstelle stellt es diese Informationen auch dem Betriebssystem bereit, wozu allerdings einen betriebssystemspezifischer Treiber für das APM-Interface notwendig ist. Um auch zusätzliche Hardware, wie PCI-Steckkarten oder externe Geräte in stromsparende Modi zu versetzen, ist des weiteren auch Anwendungssoftware – hierzu zählen auch Treiber für Zusatzhardware – in der Lage, über den Betriebssystem-Treiber mit den APM-Funktionen des BIOS zu kommunizieren.

Unter APM existieren drei Abstraktionsschichten mit sich überschneidenden Zugriffswegen auf die zu steuernde Hardware.

Schlaflabor

Zur Regelung des Energiebedarfs eines Computers definiert APM fünf verschiedene Zustände: An (Full On), APM aktiv (APM Enabled), Standby, Suspend mit der Sonderform Hibernation und schließlich Aus (Off). Im Modus „An“ findet keinerlei Leistungsregulierung statt, alle Geräte arbeiten mit voller Leistung. Ist APM aktiviert, überwacht das BIOS im Hintergrund die angeschlossenen Geräte und schaltet nicht benötigte Devices ab (etwa ungenutzte Festplatten) oder versetzt sie in einen Energie sparenden Modus, was zum Beispiel das Heruntertakten der CPU zur Folge hat.

Wird der Rechner über eine kürzere Zeitspanne nicht genutzt, erfolgt der Wechsel in den Standby-Modus. Alle von APM verwalteten Geräte werden in den Zustand des niedrigst möglichen Energieverbrauchs bei gleichzeitig maximaler Bereitschaft versetzt. Ziel ist es, so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen, das System aber innerhalb kürzester Zeit wieder in auf volle Leistung bringen zu können. Das bedeutet unter anderem, dass Interrupts nach wie vor verarbeitet werden, damit beispielsweise im Hintergrund laufende Kommunikationsanwendungen weiterhin funktionieren.

Einen Schritt weiter geht der Suspend-Modus. Hier wird der Rechner in eine Art Dornröschen-Schlaf versetzt. Die aktuellen Betriebsparameter der Geräte sowie der Zustand der aktuell laufenden Anwendungen wird gespeichert und der PC quasi ins Koma versetzt. Entsprechend dauert es deutlich länger, bis er aus diesem Schlaf wieder erwacht und dem Anwender zur Verfügung steht. Eine Spezialform des Suspend-Modus ist der Hibernation-Mode. Bei dieser vor allem auf Notebooks anzutreffenden Variante speichert das BIOS alle aktuellen Informationen sowie den Inhalt des Arbeitsspeichers in einer speziellen Datei auf der Festplatte und schaltet den Rechner komplett ab. Ein Neustart bewirkt dann, dass die zuvor gesicherten Informationen wieder hergestellt werden und der Anwender seine Arbeit an der Stelle fortsetzen kann, an der in den Hibernation-Mode gewechselt wurde. Es leuchtet ein, dass eine derart umfangreiche Wiederherstellung durchaus einige Minuten in Anspruch nehmen kann. Moderne Betriebssysteme wie Windows XP unterstützen mittlerweile die hier skizzierten Stromspar-Modi auch für den Desktop-PC.

APM definiert fünf verschiedene Zustände unterschiedlicher Energieaufnahme, die ein Rechner einnehmen kann.

Theorie und Praxis

Rein von der Definition her hört sich das alles nicht schlecht an. Leider schleppt APM aber eine ganze Reihe von Fußangeln mit sich herum. Das fängt schon bei der schwammigen Definition einiger Zustände und Ereignisse an. Intel und Microsoft haben sich hier mit vielen Kann-Bestimmungen einen großen Freiraum gelassen, der auch von anderen Herstellern durchaus genutzt wurde und wird. Bedeutendster Knackpunkt ist jedoch die Interaktion zwischen den drei Ebenen der APM-Spezifikation. So ist beispielsweise der Betriebssystem-Treiber dem APM-BIOS gleichberechtigt. Als Folge davon ist es einem Betriebssystem durchaus möglich, vom Anwender im BIOS abgeschaltete APM-Funktionen wieder zu aktivieren – eine Unart, von der vor allem Windows-Versionen der 9x-Serie regen Gebrauch machen.

So mancher Anwender, der etwa einen Faxserver auf seiner Workstation installieren wollte, ist daran verzweifelt, seinen Rechner am nächsten Tag im Suspend-Koma vorzufinden obwohl er die Energiesparoptionen im BIOS deaktiviert hatte. Ursache ist in vielen Fällen die Default-Einstellung von windows. Diese meint es gut mit dem Geldbeutel des Anwenders und schaltet gegebenenfalls den Rechner automatisch in einen Zustand, aus dem ihn auch ein eingehendes Fax nicht mehr erwecken kann. Und welche Auswirkung ein plötzlich in den Standby- oder Suspend-Modus fallender Server haben kann, muss sicher nicht im Detail beschrieben werden. Wohl aus diesem Grund hat Microsoft in den Server-Versionen von Windows 2000 die APM-Funktionalität komplett abgeschaltet – einen NT-Server können Sie jedoch problemlos ins Energiespar-Koma schicken.

Auch bei den Herstellern von Peripheriegeräten fand APM nicht den gewünschten Anklang. Schuld daran ist die Abhängigkeit vor allem der Treiber vom Betriebssystem. Anbieter von PC-Peripherie stehen bei APM vor der Wahl entweder für jedes Betriebssystem einen eigenen APM-Treiber zu schreiben, oder APM einfach zu ignorieren. Aus der Tatsache, dass zum Beispiel für keinen SCSI-Adapter APM-Treiber verfügbar sind ist abzulesen, wie sich die Industrie entschieden hat. Generell gilt die Faustregel: Alles was auf dem Motherboard integriert ist, lässt sich leidlich per APM verwalten. Über den Rest hüllt man besser den Mantel des Schweigens. Lediglich die Hersteller von Notebooks bissen mangels besserer Alternative in den sauren Apfel und bemühten sich um wirklich funktionierende APM-Implementierungen. Schließlich bietet der Hibernation-Mode gerade mobilen Anwendern die letzte Rettung vor dem Datentod dank Akkuschwäche.

Leider ist auch hier die Welt nicht rosarot. In den meisten Fällen funktioniert APM auch auf Notebooks nur mithilfe speziell angepasster Betriebssystemversionen zusammen mit Eigenheiten bei der Installation der Systeme. Wer schon einmal versucht hat, einen Notebook auf eine neuere Betriebssystem-Version aus dem Laden um die Ecke aufzurüsten, weiß ein Lied davon zu singen.