原创Linux cpufreq framework

Posted 2022-08-09 loyenwang

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。