一、簡介
當今的復雜SoC由多個子模塊協同工作組成。在執行各種用例的操作系統中，並非SoC中的所有模塊都需要始終保持最高性能。為方便起見，將SoC中的子模塊分組為域，從而允許某些域以較低的電壓和頻率運行，而其他域以較高的電壓/頻率對運行。
對於這些設備支持的頻率和電壓對，我們稱之為OPP（Operating Performance Point）。對於具有OPP功能的非CPU設備，本文稱之為OPP device，需要通過devfreq進行動態的調頻調壓。
devfreq：Generic Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) Framework for Non-CPU Devices。是由三星電子MyungJoo Ham <myungjoo.ham@samsung.com>，提交到社區。原理和/deivers/cpufreq 非常近似。但是cpufreq驅動並不允許多個設備來注冊，而且也不適合不同的設備具有不同的governor。devfreq則支持多個設備，並且允許每個設備有自己對應的governor。
如下圖，devfreq framework是功耗子系統的一部分，與cpufreq，cpuidle，powermanager相互配合協作，已達到節省系統功耗的目的。
二、核心數據結構
devfreq framework作為Linux Kernel一個子系統，需要為user space和其他子系統提供接口，已完成功能交互。本章從Kernel空間和user空間的角度，介紹devfreq framework的相關接口。
(1) devfreq_dev_profile 結構體，是OPP device注冊到devfreq framework的數據結構，主要包含OPP設備的頻率相關信息和相關的回調函數，是devfreq framework和OPP device driver的交互接口。類似設備驅動模型，將OPP device driver對devfreq使用，簡化為devfreq profile結構體的填充。
struct devfreq_dev_profile { /*devfreq初始化頻率*/ unsigned long initial_freq; /*governor輪詢的時間間隔，單位ms，0禁止*/ unsigned int polling_ms; /*devfreq framework設置OPP device頻率的回掉函數*/ int (*target)(struct device *dev, unsigned long *freq, u32 flags); /*devfreq framework獲取OPP device負載狀態的回掉函數*/ int (*get_dev_status)(struct device *dev, struct devfreq_dev_status *stat); /*devfreq framework獲取OPP device當前頻率的回掉函數*/ int (*get_cur_freq)(struct device *dev, unsigned long *freq); /*devfreq framework退出時對OPP device的回掉函數*/ void (*exit)(struct device *dev); /*OPP device支持的頻率表*/ unsigned long *freq_table; /*freq_table表的大小*/ unsigned int max_state; };
(2) devfreq_governor 結構體，是governor注冊到devfreq framework的數據結構，主要包含governor的相關屬性和具體的函數實現。是devfreq framework和governor交互接口。
struct devfreq_governor { struct list_head node; /*該governor的名稱*/ const char name[DEVFREQ_NAME_LEN]; /*governor是否可以切換的標志，若為1表示不可切換*/ const unsigned int immutable; /*governor注冊到devfreq framework的算法實現函數，返回調整后的頻率*/ int (*get_target_freq)(struct devfreq *this, unsigned long *freq); /*governor注冊到devfreq framework的event處理函數，處理start,stop,suspend,resume等event*/ int (*event_handler)(struct devfreq *devfreq, unsigned int event, void *data); };
(3) devfreq 設備結構體，這個是devfreq設備的核心數據結構。將上述的OPP device driver的 devfreq_dev_profile 和governor的 devfreq_governor 連接到一起，並通過設備驅動模型中device類，為user空間提供接口。
struct devfreq { struct list_head node; struct mutex lock; struct mutex event_lock; /*其class屬於devfreq_class，父節點指向使用devfreq的device*/ struct device dev; /*OPP device注冊到devfreq framework的配置信息*/ struct devfreq_dev_profile *profile; /*governor注冊到devfreq framework的配置信息*/ const struct devfreq_governor *governor; /*devfreq的governor的名字*/ char governor_name[DEVFREQ_NAME_LEN]; struct notifier_block nb; /*負載監控使用的delayed_work*/ struct delayed_work work; unsigned long previous_freq; struct devfreq_dev_status last_status; /*OPP device傳遞給governor的私有數據*/ void *data; /* private data for governors */ ...... };
三、工作流程
本章節主要介紹devfreq framework在系統中的工作流程，從初始化，頻率調整，退出機制幾個方便介紹devfreq framework的運行機制和函數調用邏輯。
1.初始化
(1) evfreq framework 初始化。
(2) governor初始化，然后add_governor。//int devfreq_add_governor(struct devfreq_governor *governor)。
(3) OPP device創建devfreq，然后add_device。//struct devfreq *devfreq_add_device(struct device *dev, struct devfreq_dev_profile *profile, const char *governor_name, void *data)
(1) evfreq framework 初始化
邏輯非常簡單清晰，主要完成以下的任務，然后為governor的初始化和OPP device 創建devfreq device做好准備。代碼實現：kernel/drivers/devfreq/
a.創建devfreq設備類。
b.創建工作隊列，用於負載監控work調用運行。
c.加入到subsys_initcall，系統啟動時初始化。
static int __init devfreq_init(void) //drivers/devfreq/devfreq.c { /*創建devfreq設備類*/ devfreq_class = class_create(THIS_MODULE, "devfreq"); /*創建名為"devfreq"的工作隊列，用於負載監控work的調度運行*/ devfreq_wq = create_freezable_workqueue("devfreq_wq"); devfreq_class->dev_groups = devfreq_groups; } subsys_initcall(devfreq_init);
(2) governors初始化
系統中可支持多個governors，在系統啟動時進行初始化，並注冊到devfreq framework中， 后續OPP device創建devfreq設備，會根據governor名字從已經初始化好的governor 列表中，查找對應的governor實例。
a.填充governor的結構體，不同類型的governor，會有不同的實現。
b.將governor加入到devfreq framework的governor列表中。
c.加入到subsys_initcall，系統啟動時初始化。
下面這個是以 simple_ondemand 這個governor來介紹governor的初始化和注冊。
static struct devfreq_governor devfreq_simple_ondemand = { .name = DEVFREQ_GOV_SIMPLE_ONDEMAND, //"simple_ondemand" .get_target_freq = devfreq_simple_ondemand_func, .event_handler = devfreq_simple_ondemand_handler, }; static int __init devfreq_simple_ondemand_init(void) { return devfreq_add_governor(&devfreq_simple_ondemand); } subsys_initcall(devfreq_simple_ondemand_init);
目前系統默認支持下面幾種governor：
simple_ondemand：按需調整模式；根據系統負載動態頻率，平衡性能和功耗
Performance：性能優先模式，調整到最大頻率
Powersave：功耗優先模式，調整到最小頻率
Userspace：用戶指定模式，調整到用戶設置的頻率.
Passive：被動模式，使用設備指定方法做調整或跟隨父devfreq設備的governor
可以根據自己的設備特性，通過填充 devfreq_governor 結構體和實現 get_target_freq 方法和 event_handler，完成的自己的governor。devfreq framework的架構設計對governor擴展，支持極好。
(3) OPP device通過devfreq framework創建devfreq device。
以UFS設備為例，介紹OPP device用devfreq framework來添加devfreq設備的過程。代碼位置：kernel/drivers/scsi/ufs/ufshcd.c
首先，OPP device driver通過devfreq framework創建devfreq設備。
a.將ufs設備的core clk的添加到opp子系統中，devfreq_add_device 函數中，會從opp子系統中獲取clk信息。
b.將OPP device相關頻率信息和回調函數，並填充devfreq profile數據結構。
c.調用devfreq_add_device函數，將devfreq profile數據結構，governor名字，添加到devfreq framework。
static int ufshcd_devfreq_init(struct ufs_hba *hba) { struct devfreq *devfreq; struct ufs_clk_scaling *scaling = &hba->clk_scaling; ...... /*將可用最大最小頻率添加到OPP子系統*/ clki = list_first_entry(clk_list, struct ufs_clk_info, list); dev_pm_opp_add(hba->dev, clki->min_freq, 0); dev_pm_opp_add(hba->dev, clki->max_freq, 0); /*初始化devfreq配置結構體*/ scaling->profile.polling_ms = 60; scaling->profile.target = ufshcd_devfreq_target; scaling->profile.get_dev_status = ufshcd_devfreq_get_dev_status; /*通過devfreq_add_device函數，配置文件和governor，創建devfreq設備*/ devfreq = devfreq_add_device(hba->dev, &scaling->profile, DEVFREQ_GOV_SIMPLE_ONDEMAND, gov_data); ...... }
devfreq_add_device 創建devfreq設備的流程如下：
a. 根據傳入的governor名字，從governor列表中，獲取對應的governor實例。
b.發送 DEVFREQ_GOV_START 到governor，開始管理OPP device的頻率。
struct devfreq *devfreq_add_device(struct device *dev, struct devfreq_dev_profile *profile, const char *governor_name, void *data) { ...... /*通過governor的名字找到governor實例*/ governor = find_devfreq_governor(devfreq->governor_name); ...... /*發送DEVFREQ_GOV_START事件，governor開始管理頻率*/ devfreq->governor->event_handler(devfreq, DEVFREQ_GOV_START, NULL); ...... }
2. 頻率調整過程
如上圖所示，頻率調整過程中，分工非常明確，devfreq framework是大管家負責監控程序的運行，governor提供管理算法，OPP device提供自身的負載狀態和頻率設置的方法實現。系統中有不同的governor，而且不同的governor有不同的管理算法，但是頻率調整過程是一樣的。本小節，以 simple_ondemand governor 為例，講述governor的管理過程。
(1) governor 的 event_handler 收到 DEVFREQ_GOV_START 事件，調用對應的函數，調度工作隊列，運行負載監控程序。
static int devfreq_simple_ondemand_handler(struct devfreq *devfreq, unsigned int event, void *data) { switch (event) { case DEVFREQ_GOV_START: devfreq_monitor_start(devfreq); /*對應的DEVFREQ_GOV_START事件的處理函數*/ break; case DEVFREQ_GOV_STOP: devfreq_monitor_stop(devfreq); break; case DEVFREQ_GOV_INTERVAL: devfreq_interval_update(devfreq, (unsigned int *)data); break; case DEVFREQ_GOV_SUSPEND: devfreq_monitor_suspend(devfreq); break; case DEVFREQ_GOV_RESUME: devfreq_monitor_resume(devfreq); break; default: break; } return 0; } void devfreq_monitor_start(struct devfreq *devfreq) { /*開始提交“內核工作線程”監控負載狀態*/ INIT_DEFERRABLE_WORK(&devfreq->work, devfreq_monitor); if (devfreq->profile->polling_ms) { queue_delayed_work(devfreq_wq, &devfreq->work, msecs_to_jiffies(devfreq->profile->polling_ms)); } }
(2) 負載監控程序。
a.調用 governor 的 get_target_freq 方法，獲取下一次的調頻目標值。
b.調用OPP device注冊到 devfreq framework 的target函數，設置新的頻率信息。
c.調度延遲工作隊列，延遲OPP device 設置的輪詢間隔后，再次運行。
int update_devfreq(struct devfreq *devfreq) { /*獲取要調頻到的結果頻率*/ devfreq->governor->get_target_freq(devfreq, &freq); /*在調頻前后都有通知發出來*/ devfreq_notify_transition(devfreq, &freqs, DEVFREQ_PRECHANGE); /*調用OPP devices的target函數設置目標頻率*/ devfreq->profile->target(devfreq->dev.parent, &freq, flags); devfreq_notify_transition(devfreq, &freqs, DEVFREQ_POSTCHANGE); } static void devfreq_monitor(struct work_struct *work) { err = update_devfreq(devfreq); /*進行以polling_ms為周期的周期監控*/ queue_delayed_work(devfreq_wq, &devfreq->work, msecs_to_jiffies(devfreq->profile->polling_ms)); }
(3) governor 的 get_target_freq 方法，調用opp device注冊到devfreq framework的回調函數，獲取當前device負載信息，根據算法，返回調整頻率。
static inline int devfreq_update_stats(struct devfreq *df) { if (df->profile->get_dev_status) /*調用OPP device注冊到devfreq framework的回調函數，獲取負載狀態*/ return df->profile->get_dev_status(df->dev.parent, &df->last_status); else return -ENODEV; } static int devfreq_simple_ondemand_func(struct devfreq *df, unsigned long *freq) /*.get_target_freq = devfreq_simple_ondemand_func*/ { /*獲取設備當前狀態*/ err = devfreq_update_stats(df); stat = &df->last_status; /*然后使用stat與df->data指定的閾值比較，進行目標頻率的設定*/ if (data && data->simple_scaling) { if (stat->busy_time * 100 > stat->total_time * dfso_upthreshold) /*如果忙的時間大於70%,就給最大頻率*/ *freq = max; else if (stat->busy_time * 100 < stat->total_time * (dfso_upthreshold - dfso_downdifferential)) /*如果忙的時間小於5%,就給最小頻率*/ *freq = min; else *freq = df->previous_freq; /*否則還是之前頻率*/ return 0; } }
3. 刪除devfreq設備
(1) 直接調用device_unregister函數注銷devfreq設備。
int devfreq_remove_device(struct devfreq *devfreq) { ... device_unregister(&devfreq->dev); ... }
(2) device_unregister 注銷過程中會調用 devfreq_dev_release 函數，完成下面的事務。
a.發送 DEVFREQ_GOV_STOP event，governor停止運行；
b.回調OPP device注冊到devfreq framework的exit函數；
c.釋放devfreq device申請的資源。
static void devfreq_dev_release(struct device *dev) //devfreq_add_device()中初始化賦值的 { /*如果governor存在，發送DEVFREQ_GOV_STOP事件，停止governor運行*/ if (devfreq->governor) devfreq->governor->event_handler(devfreq, DEVFREQ_GOV_STOP, NULL); /*如果OPP device注冊的有exit()，調用它*/ if (devfreq->profile->exit) devfreq->profile->exit(devfreq->dev.parent); }
四、架構設計
1.devfreq framework將多種OPP device和多種governor進行抽象，對OPP device提供了統一的接口，來滿足其對devfreq的需求。對governor提供統一的實現格式，為后續擴展不同governor，提供很好的架構支持。是一個典型的子系統實現模式。為后續在我們自己做子系統架構設計，提供了一個很好的參考。
2. 用戶空間文件節點
devfreq framework不僅為Kernel空間的設備驅動提供了標准化接口，也為user空間提供了標准化的文件節點，方便user空間的程序，更好的監控和修改。相關文件節點介紹內核文檔：kernel/Documentation/ABI/testing/sysfs-class-devfreq(-event)。
/sys/class/devfreq/xxx.ufshc # ls -l -r--r--r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 available_frequencies -r--r--r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 available_governors -r--r--r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 cur_freq lrwxrwxrwx 1 root root 0 2020-06-01 10:57 device -> ../../../xxx.ufshc -rw-r--r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 governor -rw-rw-r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 max_freq -rw-rw-r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 min_freq -rw-r--r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 polling_interval drwxr-xr-x 2 root root 0 2020-06-07 18:15 power lrwxrwxrwx 1 root root 0 2020-06-01 10:57 subsystem -> ../../../../../../class/devfreq -r--r--r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 target_freq -r--r--r-- 1 root root 4096 2020-06-07 18:15 trans_stat -rw-r--r-- 1 root root 4096 1970-02-25 01:42 uevent
available_frequencies: 可用的頻率列表
available_governors：可用的governor
cur_freq：當前頻率
governor: 當前governor
max_freq：最大頻率
min_freq ：最小頻率
polling_interval：governor調度的時間間隔，單位是ms.
target_freq：目標頻率
trans_stat：狀態調整表記錄
代碼實現位置：kernel/drivers/devfreq/devfreq.c //struct attribute *devfreq_attrs[]
五、調試筆記和總結
1.可以cat trans_stat來查看頻率轉移表。
/sys/class/devfreq/xxx.ufshc # cat trans_stat From : To : 37500000 300000000 time(ms) * 37500000: 0 133 3343228 300000000: 133 0 162660 Total transition : 266
2.TODO: 解釋每一個governor的算法
/sys/class/devfreq/xxx.ufshc # cat available_governors
cdspl3 compute mem_latency bw_hwmon vidc-ar50-llcc vidc-ar50-ddr msm-vidc-llcc msm-vidc-ddr gpubw_mon bw_vbif msm-adreno-tz userspace powersave performance simple_ondemand
參考： https://blog.csdn.net/feelabclihu/article/details/105592301