Linux動態頻率調節系統CPUFreq之一：概述【轉】

Linux動態頻率調節系統CPUFreq之一：概述

隨着技術的發展，我們對CPU的處理能力提出了越來越高的需求，芯片廠家也對制造工藝不斷地提升。現在的主流PC處理器的主頻已經在3GHz左右，就算是智能手機的處理器也已經可以工作在1.5GHz以上，可是我們並不是時時刻刻都需要讓CPU工作在最高的主頻上，尤其是移動設備和筆記本電腦，大部分時間里，CPU其實工作在輕負載狀態下，我們知道：主頻越高，功耗也越高。為了節省CPU的功耗和減少發熱，我們有必要根據當前CPU的負載狀態，動態地提供剛好足夠的主頻給CPU。在Linux中，內核的開發者定義了一套框架模型來完成這一目的，它就是CPUFreq系統。

1. sysfs接口

我們先從CPUFreq提供的sysfs接口入手，直觀地看看它提供了那些功能。以下是我的電腦輸出的結果：

droidphone@990:~$ cd /sys/devices/system/cpu
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu$ ls
cpu0  cpu3  cpu6     cpuidle     offline   power    release
cpu1  cpu4  cpu7     kernel_max  online    present  uevent
cpu2  cpu5  cpufreq  modalias    possible  probe

所有與CPUFreq相關的sysfs接口都位於：/sys/devices/system/cpu下面，我們可以看到，8個cpu分別建立了一個自己的目錄，從cpu0到cpu7，我們再看看offline和online以及present的內容：

droidphone@990:/sys/devices/system/cpu$ cat online
0-7
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu$ cat offline
8-15
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu$ cat present
0-7
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu$

online代表目前正在工作的cpu，輸出顯示編號為0-7這8個cpu在工作，offline代表目前被關掉的cpu，present則表示主板上已經安裝的cpu，由輸出可以看到，我的主板可以安裝16個cpu（因為intel的超線程技術，其實物理上只是8個），第8-15號cpu處於關閉狀態（實際上不存在，因為present只有0-7）。

接着往下看：

droidphone@990:/sys/devices/system/cpu/cpu0$ ls
cache    cpuidle      microcode  power      thermal_throttle  uevent
cpufreq  crash_notes  node0      subsystem  topology
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu/cpu0$ cd cpufreq/
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$ ls
affected_cpus               related_cpus                   scaling_max_freq
bios_limit                  scaling_available_frequencies  scaling_min_freq
cpuinfo_cur_freq            scaling_available_governors    scaling_setspeed
cpuinfo_max_freq            scaling_cur_freq               stats
cpuinfo_min_freq            scaling_driver
cpuinfo_transition_latency  scaling_governor
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$ 

在我的電腦上，部分的值如下：

cpuinfo_cur_freq:   1600000

cpuinfo_max_freq:  3401000

cpuinfo_min_freq:   1600000

scaling_cur_freq:    1600000

scaling_max_freq:  3401000

scaling_min_freq:   1600000

所以，我的cpu0的最低運行頻率是1.6GHz，最高是3.4GHz，目前正在運行的頻率是1.6GHz，前綴cpuinfo代表的是cpu硬件上支持的頻率，而scaling前綴代表的是可以通過CPUFreq系統用軟件進行調節時所支持的頻率。cpuinfo_cur_freq代表通過硬件實際上讀到的頻率值，而scaling_cur_freq則是軟件當前的設置值，多數情況下這兩個值是一致的，但是也有可能因為硬件的原因，有微小的差異。

scaling_available_frequencies會輸出當前軟件支持的頻率值，看看我的cpu支持那些頻率：

droidphone@990:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$ cat scaling_available_frequencies 
3401000 3400000 3000000 2800000 2600000 2400000 2200000 2000000 1800000 1600000 
droidphone@990:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$

Oh，從1.6GHz到3.4GHz，一共支持10擋的頻率可供選擇。scaling_available_governors則會輸出當前可供選擇的頻率調節策略：

conservative ondemand userspace powersave performance

一共有5中策略供我們選擇，那么當前系統選用那種策略？讓我們看看：

OK，我的系統當前選擇ondemand這種策略，這種策略的主要思想是：只要cpu的負載超過某一個閥值，cpu的頻率會立刻提升至最高，然后再根據實際情況降到合適的水平。詳細的情況我們留在后面的章節中討論。scaling_driver則會輸出當前使用哪一個驅動來設置cpu的工作頻率。

當我們選擇userspace作為我們的調頻governor時，我們可以通過scaling_setspeed手工設置需要的頻率。powersave則簡單地使用最低的工作頻率進行運行，而performance則一直選擇最高的頻率進行運行。

2. 軟件架構

通過上一節的介紹，我們可以大致梳理出CPUFreq系統的構成和工作方式。

首先，CPU的硬件特性決定了這個CPU的最高和最低工作頻率，所有的頻率調整數值都必須在這個范圍內，它們用cpuinfo_xxx_freq來表示。

然后，我們可以在這個范圍內再次定義出一個軟件的調節范圍，它們用scaling_xxx_freq來表示，同時，根據具體的硬件平台的不同，我們還需要提供一個頻率表，這個頻率表規定了cpu可以工作的頻率值，當然這些頻率值必須要在cpuinfo_xxx_freq的范圍內。

有了這些頻率信息，CPUFreq系統就可以根據當前cpu的負載輕重狀況，合理地從頻率表中選擇一個合適的頻率供cpu使用，已達到節能的目的。

至於如何選擇頻率表中的頻率，這個要由不同的governor來實現，目前的內核版本提供了5種governor供我們選擇。選擇好適當的頻率以后，具體的頻率調節工作就交由scaling_driver來完成。CPUFreq系統把一些公共的邏輯和接口代碼抽象出來，這些代碼與平台無關，也與具體的調頻策略無關，內核的文檔把它稱為CPUFreq Core（/Documents/cpufreq/core.txt）。

另外一部分，與實際的調頻策略相關的部分被稱作cpufreq_policy，cpufreq_policy又是由頻率信息和具體的governor組成，governor才是具體策略的實現者，當然governor需要我們提供必要的頻率信息，governor的實現最好能做到平台無關，與平台相關的代碼用cpufreq_driver表述，它完成實際的頻率調節工作。

最后，如果其他內核模塊需要在頻率調節的過程中得到通知消息，則可以通過cpufreq notifiers來完成。由此，我們可以總結出CPUFreq系統的軟件結構如下：

3. cpufreq_policy

一種調頻策略的各種限制條件的組合稱之為policy，代碼中用cpufreq_policy這一數據結構來表示：

struct cpufreq_policy {
        
        cpumask_var_t           cpus;   
        cpumask_var_t           related_cpus; 
 
        unsigned int            shared_type; 
                                                
        unsigned int            cpu;    
        unsigned int            last_cpu; 
                                          
        struct cpufreq_cpuinfo  cpuinfo;
 
        unsigned int            min;    /* in kHz */
        unsigned int            max;    /* in kHz */
        unsigned int            cur;    
                                         
        unsigned int            policy; 
        struct cpufreq_governor *governor; 
        void                    *governor_data;
 
        struct work_struct      update; 
                                         
 
        struct cpufreq_real_policy      user_policy;
 
        struct kobject          kobj;
        struct completion       kobj_unregister;
};

其中的各個字段的解釋如下：

• cpus和related_cpus    這兩個都是cpumask_var_t變量，cpus表示的是這一policy控制之下的所有還出於online狀態的cpu，而related_cpus則是online和offline兩者的合集。主要是用於多個cpu使用同一種policy的情況，實際上，我們平常見到的大多數系統中都是這種情況：所有的cpu同時使用同一種policy。我們需要related_cpus變量指出這個policy所管理的所有cpu編號。
• cpu和last_cpu    雖然一種policy可以同時用於多個cpu，但是通常一種policy只會由其中的一個cpu進行管理，cpu變量用於記錄用於管理該policy的cpu編號，而last_cpu則是上一次管理該policy的cpu編號（因為管理policy的cpu可能會被plug out，這時候就要把管理工作遷移到另一個cpu上）。
• cpuinfo 保存cpu硬件所能支持的最大和最小的頻率以及切換延遲信息。
• min/max/cur 該policy下的可使用的最小頻率，最大頻率和當前頻率。
• policy    該變量可以取以下兩個值：CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE，該變量只有當調頻驅動支持setpolicy回調函數的時候有效，這時候由驅動根據policy變量的值來決定系統的工作頻率或狀態。如果調頻驅動（cpufreq_driver）支持target回調，則頻率由相應的governor來決定。
• governor和governor_data 指向該policy當前使用的cpufreq_governor結構和它的上下文數據。governor是實現該policy的關鍵所在，調頻策略的邏輯由governor實現。
• update 有時在中斷上下文中需要更新policy，需要利用該工作隊列把實際的工作移到稍后的進程上下文中執行。
• user_policy 有時候因為特殊的原因需要修改policy的參數，比如溫度過高時，最大可允許的運行頻率可能會被降低，為了在適當的時候恢復原有的運行參數，需要使用user_policy保存原始的參數（min，max，policy，governor）。
• kobj 該policy在sysfs中對應的kobj的對象。

4. cpufreq_governor

所謂的governor，我把它翻譯成：調節器。governor負責檢測cpu的使用狀況，從而在可用的范圍中選擇一個合適的頻率，代碼中它用cpufreq_governor結構來表示：

struct cpufreq_governor {
        char    name[CPUFREQ_NAME_LEN];
        int     initialized;
        int     (*governor)     (struct cpufreq_policy *policy,
                                 unsigned int event);
        ssize_t (*show_setspeed)        (struct cpufreq_policy *policy,
                                         char *buf);
        int     (*store_setspeed)       (struct cpufreq_policy *policy,
                                         unsigned int freq);
        unsigned int max_transition_latency; /* HW must be able to switch to
                        next freq faster than this value in nano secs or we
                        will fallback to performance governor */
        struct list_head        governor_list;
        struct module           *owner;
};

其中的各個字段的解釋如下：

• name 該governor的名字。
• initialized 初始化標志。
• governor 指向一個回調函數，CPUFreq Core會在不同的階段調用該回調函數，用於該governor的啟動、停止、初始化、退出動作。
• list_head 所有注冊的governor都會利用該字段鏈接在一個全局鏈表中，以供系統查詢和使用。

5. cpufreq_driver

上一節提到的gonvernor只是負責計算並提出合適的頻率，但是頻率的設定工作是平台相關的，這需要cpufreq_driver驅動來完成，cpufreq_driver的結構如下：

struct cpufreq_driver {
        struct module           *owner;
        char                    name[CPUFREQ_NAME_LEN];
        u8                      flags;
     
        bool                    have_governor_per_policy;
 
        /* needed by all drivers */
        int     (*init)         (struct cpufreq_policy *policy);
        int     (*verify)       (struct cpufreq_policy *policy);
 
        /* define one out of two */
        int     (*setpolicy)    (struct cpufreq_policy *policy);
        int     (*target)       (struct cpufreq_policy *policy,
                                 unsigned int target_freq,
                                 unsigned int relation);
 
        /* should be defined, if possible */
        unsigned int    (*get)  (unsigned int cpu);
 
        /* optional */
        unsigned int (*getavg)  (struct cpufreq_policy *policy,
                                 unsigned int cpu);
        int     (*bios_limit)   (int cpu, unsigned int *limit);
 
        int     (*exit)         (struct cpufreq_policy *policy);
        int     (*suspend)      (struct cpufreq_policy *policy);
        int     (*resume)       (struct cpufreq_policy *policy);
        struct freq_attr        **attr;
};

相關的字段的意義解釋如下：

• name 該頻率驅動的名字。
• init 回調函數，該回調函數必須實現，CPUFreq Core會通過該回調函數對該驅動進行必要的初始化工作。
• verify 回調函數，該回調函數必須實現，CPUFreq Core會通過該回調函數檢查policy的參數是否被驅動支持。
• setpolicy/target    回調函數，驅動必須實現這兩個函數中的其中一個，如果不支持通過governor選擇合適的運行頻率，則實現setpolicy回調函數，這樣系統只能支持CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE這兩種工作策略。反之，實現target回調函數，通過target回調設定governor所需要的頻率。
• get 回調函數，用於獲取cpu當前的工作頻率。
• getavg 回調函數，用於獲取cpu當前的平均工作頻率。

6. cpufreq notifiers

CPUFreq的通知系統使用了內核的標准通知接口。它對外提供了兩個通知事件：policy通知和transition通知。

policy通知用於通知其它模塊cpu的policy需要改變，每次policy改變時，該通知鏈上的回調將會用不同的事件參數被調用3次，分別是：

• CPUFREQ_ADJUST 只要有需要，所有的被通知者可以在此時修改policy的限制信息，比如溫控系統可能會修改在大允許運行的頻率。
• CPUFREQ_INCOMPATIBLE 只是為了避免硬件錯誤的情況下，可以在該通知中修改policy的限制信息。
• CPUFREQ_NOTIFY 真正切換policy前，該通知會發往所有的被通知者。

transition通知鏈用於在驅動實施調整cpu的頻率時，用於通知相關的注冊者。每次調整頻率時，該通知會發出兩次通知事件：

• CPUFREQ_PRECHANGE 調整前的通知。
• CPUFREQ_POSTCHANGE 完成調整后的通知。

當檢測到因系統進入suspend而造成頻率被改變時，以下通知消息會被發出：

• CPUFREQ_RESUMECHANGE