Linux性能之DVFS/cpufreq

Posted 2023-03-29

参考技术A DVFS全称Dynamic Voltage and Frequency Scaling，即动态电压频率调整。这项技术可以根据芯片运行的应用程序的计算需求，动态调整电压和频率，从而达到节能的目的。

DVFS技术是一项需要软硬件结合的技术，硬件方面比如Intel的SpeedStep技术以及由此衍生的EIST技术，ARM的IEM和AVS技术等。软件方面对于Linux而言主要就是CPUfreq技术，下面我们着重分析一下这项技术。在开始之前，稍微讲一点硬件知识。

CMOS电路中分为动态功耗和静态功耗，公式为 power=Σ(CV²αf + VI)。 C 代表负载电容的容值，V 是工作电压，α 是当前频率下的翻转率，f为工作频率，I代表静态电流。公式中加号前面部分代表动态功耗，后半部分代表静态功耗。要想降低动态功耗的话，需要从C/α/V/f几个参数入手，而对于软件而言，通常可以调节的只有V和f。

好，基于上面的背景，对于Cpufreq技术其实也就是软件根据系统的负载，动态的去调整电压和频率来平衡性能和功耗。

总体而言，Cpufreq包含两部分内容，一是策略部分，该部分与具体CPU无关；而是driver部分，与具体平台实现策略有关系。这种设计的优点是实现了策略和实现机制的分离。首先看策略部分，目前Linux上通用的策略有五种，如下表所示：

对于安卓系统而言，还增加了一种interactive策略针对延时敏感的UI任务，当有UI任务时，改策略会采取更加激进的方式调节CPU频率。

对于用户空间而言，一般可通过/sys/devices/system/cpu/cpu[x]/cpufreq/xxx来查看CPU的调度策略或者进行设置。
主要有以下接口暴露给用户：

当切换不同调度策略时，还会出现一些新的接口。但通用接口如上表所示。

对于dirver而言，如果需要监控CPUfrq系统的变化，那么存在两种类型的通知，一种是CPUfreq的策略变化，另一种是CPU频率的变化。
策略变化总共有三种类型的通知:
CPUFREQ_ADJUST-只要有需要，所有的被通知者可以在此时修改policy的限制信息，比如温控系统可能会修改在大允许运行的频率。
CPUFREQ_INCOMPATIBLE-只是为了避免硬件错误的情况下，可以在该通知中修改policy的限制信息。
CPUFREQ_NOTIFY-真正切换policy前，该通知会发往所有的被通知者。
CPU频率变化会发出两种类型的通知：
CPUFREQ_PRECHANGE-调整前的通知
CPUFREQ_POSTCHANGE-完成调整后的通知
另外，系统休眠/唤醒如果CPU频率发生变化，还会发出CPUFREQ_SUSPENDCHANGE和CPUFREQ_RESUMECHANGE这两个通知。

需要注意的是，除了CPU之外，其他设备也可能存在DVFS的调整需求，可以关注devfreq，对应到driver/devfreq驱动目录。

内核在编译阶段就可以选择支持的governor以及默认governor。在menuconfig中可配置CONFIG_CPU_FREQ，CONFIG_CPU_FREQ_GOV_PERFORMANCE, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_POWERSAVE, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_USERSPACE, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_ONDEMAND, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_CONSERVATIVE
等来选择是否开启CPUfreq，以及选择哪种governor。

Linux 3.1之后内核将cpupower-utils集成进内核tools/power/cpupower目录，改工具集的cpufreq-bench工具可以用来分析不同策略对CPU性能的影响。该工具的原理是模拟系统运行的状态来对比其他策略相比于performance高频模式完成任务的时间比例。以ondemand策略为例，命令使用方式如下：
cpufreq-bench -l 50000 -s 100000 -x 50000 -y 100000 -g ondemand -r 5 -n 5 -v
一般达到目标90%左右的比例视为理想比例。

原创Linux cpufreq framework

背景

• Read the fucking source code! --By 鲁迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64处理器
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 介绍

• cpufreq子系统负责在运行时对CPU频率和电压的动态调整，以达到性能和功耗的平衡，它也叫DVFS(Dynamic Voltage Frequency Scaling)。
• DVFS原理：CMOS电路中功耗与电压的平方成正比，与频率也成正比。此外，频率越高，性能也越强，相应的能耗就增大了，所以Tradeoff依旧是一门艺术。
• cpufreq framework类似于cpuidle framework，提供机制（cpufreq driver）与策略（cpufreq governor），此外提供了cpufreq core来对机制和策略进行管理。

2. 框架

主要代码路径：
driver/cpufreq/cpufreq.c
include/linux/cpufreq.h
drivers/cpufreq/cpufreq_userspace.c

先上框架图：

粗一看与cpuidle framework的图很像，但是有些差别如下：

• 用户层与cpufreq framework的交互，主要是通过sysfs，这个可以在/sys下看到很多文件，而Kernel Module也可以使用某些接口来回调它；
• 系统只允许有一个Platform Drivers，为全局变量cpufreq_driver，cpufreq core通过它去回调驱动；
• 驱动与硬件的交互，通过如set_clk_rate/regulator_set_voltage等接口去设置CPU的时钟和电压，而不再是cpu_ops；
• 有一个全局的governor链表cpufreq_governor_list，可以通过查找链表来选择合适的governor；

3. 数据结构

核心的数据结构有三个：

• struct cpufreq_policy：用于描述不同的policy，涉及到频率表、cpuinfo等各种信息，并且每个policy都会指向某个governor；
• struct cpufreq_governor：用于对policy的管理；
• struct cpufreq_driver：用于描述具体的驱动程序；
  如下图：
  

4. 流程

4.1 cpufreq_driver注册

仔细观察上图中struct cpufreq_driver结构体，你会发现它与传统的设备模型中的驱动结构不一致，它并没有内嵌struct bus_type或struct device_driver类型，这就决定了它不属于“device<--->bus<--->driver”这种模型。
事实上，cpufreq_driver是一个全局的变量，不属于任何一个拓扑的结构。它的注册从cpufreq_register_driver开始。
流程如下图：

4.2 governor注册

接口为：cpufreq_register_governor，这个操作实在是太简单了，添加到全局链表即可，完事！
顺带提一句吧，还有一个接口cpufreq_register_notifier，这个用于通知机制，具体不再深入分析了。

4.3 sysfs访问

cpufreq core会在/sys目录下创建相应的节点，如下图所示：

用户态可以通过cat/echo命令来读取/设置相应的值。

对应结构体如下：

static struct attribute *default_attrs[] = 
    &cpuinfo_min_freq.attr,
    &cpuinfo_max_freq.attr,
    &cpuinfo_transition_latency.attr,
    &scaling_min_freq.attr,
    &scaling_max_freq.attr,
    &affected_cpus.attr,
    &related_cpus.attr,
    &scaling_governor.attr,
    &scaling_driver.attr,
    &scaling_available_governors.attr,
    &scaling_setspeed.attr,
    NULL
;

各个字段含义如下：

• affected_cpus：需要软件调整频率的cpu列表；
• related_cpus：需要软件或硬件来调整频率的cpu列表；
• cpuinfo_max_freq：CPU能够支持的最高频率（khz）；
• cpuinfo_min_freq：CPU能够支持的最小频率（khz）；
• cpuinfo_transition_latency：CPU频率切换时的时间开销（ns）；
• scaling_available_governors：内核中支持的governor；
• scaling_driver：硬件驱动，比如cpufreq-dt；
• scaling_cur_freq：CPU工作频率；
• scaling_max_freq：当前policy的频率上限；
• scaling_min_freq：当前policy的频率下限；
• scaling_governor：CPU调频策略，可以修改；
• scaling_setspeed：设置CPU运行频率；
  如下图：
  

sysfs回调下来后，会进入xxx_store/xxx_show函数来进行具体的设置，至于设置的流程大体与cpufreq_driver注册图中类似，不再深入分析了。

驱动的实现变成了实现struct cpufreq_driver函数指针中的函数，并注册即可。目前的驱动开发大抵如此，变成了一道填空题，当然我们也需要去了解背后的原理。