Linux动态频率调节系统CPUFreq之一：概述

随着技术的发展，我们对CPU的处理能力提出了越来越高的需求，芯片厂家也对制造工艺不断地提升。现在的主流PC处理器的主频已经在3GHz左右，就算是智能手机的处理器也已经可以工作在1.5GHz以上，可是我们并不是时时刻刻都需要让CPU工作在最高的主频上，尤其是移动设备和笔记本电脑，大部分时间里，CPU其实工作在轻负载状态下，我们知道：主频越高，功耗也越高。为了节省CPU的功耗和减少发热，我们有必要根据当前CPU的负载状态，动态地提供刚好足够的主频给CPU。在Linux中，内核的开发者定义了一套框架模型来完成这一目的，它就是CPUFreq系统。

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1.  sysfs接口

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我们先从CPUFreq提供的sysfs接口入手，直观地看看它提供了那些功能。以下是我的电脑输出的结果：

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

所有与CPUFreq相关的sysfs接口都位于：/sys/devices/system/cpu下面，我们可以看到，8个cpu分别建立了一个自己的目录，从cpu0到cpu7，我们再看看offline和online以及present的内容：

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，输出显示编号为0-7这8个cpu在工作，offline代表目前被关掉的cpu，present则表示主板上已经安装的cpu，由输出可以看到，我的主板可以安装16个cpu（因为intel的超线程技术，其实物理上只是8个），第8-15号cpu处于关闭状态（实际上不存在，因为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$ 

在我的电脑上，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的最低运行频率是1.6GHz，最高是3.4GHz，目前正在运行的频率是1.6GHz，前缀cpuinfo代表的是cpu硬件上支持的频率，而scaling前缀代表的是可以通过CPUFreq系统用软件进行调节时所支持的频率。cpuinfo_cur_freq代表通过硬件实际上读到的频率值，而scaling_cur_freq则是软件当前的设置值，多数情况下这两个值是一致的，但是也有可能因为硬件的原因，有微小的差异。scaling_available_frequencies会输出当前软件支持的频率值，看看我的cpu支持那些频率：

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，从1.6GHz到3.4GHz，一共支持10挡的频率可供选择。scaling_available_governors则会输出当前可供选择的频率调节策略：

conservative ondemand userspace powersave performance

一共有5中策略供我们选择，那么当前系统选用那种策略？让我们看看：

dong@dong-990:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$ cat scaling_governor
ondemand

OK，我的系统当前选择ondemand这种策略，这种策略的主要思想是：只要cpu的负载超过某一个阀值，cpu的频率会立刻提升至最高，然后再根据实际情况降到合适的水平。详细的情况我们留在后面的章节中讨论。scaling_driver则会输出当前使用哪一个驱动来设置cpu的工作频率。

当我们选择userspace作为我们的调频governor时，我们可以通过scaling_setspeed手工设置需要的频率。powersave则简单地使用最低的工作频率进行运行，而performance则一直选择最高的频率进行运行。

2.  软件架构

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通过上一节的介绍，我们可以大致梳理出CPUFreq系统的构成和工作方式。首先，CPU的硬件特性决定了这个CPU的最高和最低工作频率，所有的频率调整数值都必须在这个范围内，它们用cpuinfo_xxx_freq来表示。然后，我们可以在这个范围内再次定义出一个软件的调节范围，它们用scaling_xxx_freq来表示，同时，根据具体的硬件平台的不同，我们还需要提供一个频率表，这个频率表规定了cpu可以工作的频率值，当然这些频率值必须要在cpuinfo_xxx_freq的范围内。有了这些频率信息，CPUFreq系统就可以根据当前cpu的负载轻重状况，合理地从频率表中选择一个合适的频率供cpu使用，已达到节能的目的。至于如何选择频率表中的频率，这个要由不同的governor来实现，目前的内核版本提供了5种governor供我们选择。选择好适当的频率以后，具体的频率调节工作就交由scaling_driver来完成。CPUFreq系统把一些公共的逻辑和接口代码抽象出来，这些代码与平台无关，也与具体的调频策略无关，内核的文档把它称为CPUFreq Core（/Documents/cpufreq/core.txt）。另外一部分，与实际的调频策略相关的部分被称作cpufreq_policy，cpufreq_policy又是由频率信息和具体的governor组成，governor才是具体策略的实现者，当然governor需要我们提供必要的频率信息，governor的实现最好能做到平台无关，与平台相关的代码用cpufreq_driver表述，它完成实际的频率调节工作。最后，如果其他内核模块需要在频率调节的过程中得到通知消息，则可以通过cpufreq notifiers来完成。由此，我们可以总结出CPUFreq系统的软件结构如下：

3.  cpufreq_policy

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一种调频策略的各种限制条件的组合称之为policy，代码中用cpufreq_policy这一数据结构来表示：

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;
};

其中的各个字段的解释如下：

• cpus和related_cpus    这两个都是cpumask_var_t变量，cpus表示的是这一policy控制之下的所有还出于online状态的cpu，而related_cpus则是online和offline两者的合集。主要是用于多个cpu使用同一种policy的情况，实际上，我们平常见到的大多数系统中都是这种情况：所有的cpu同时使用同一种policy。我们需要related_cpus变量指出这个policy所管理的所有cpu编号。
• cpu和last_cpu    虽然一种policy可以同时用于多个cpu，但是通常一种policy只会由其中的一个cpu进行管理，cpu变量用于记录用于管理该policy的cpu编号，而last_cpu则是上一次管理该policy的cpu编号（因为管理policy的cpu可能会被plug out，这时候就要把管理工作迁移到另一个cpu上）。
• cpuinfo    保存cpu硬件所能支持的最大和最小的频率以及切换延迟信息。
• min/max/cur  该policy下的可使用的最小频率，最大频率和当前频率。
• policy    该变量可以取以下两个值：CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE，该变量只有当调频驱动支持setpolicy回调函数的时候有效，这时候由驱动根据policy变量的值来决定系统的工作频率或状态。如果调频驱动（cpufreq_driver）支持target回调，则频率由相应的governor来决定。
• governor和governor_data    指向该policy当前使用的cpufreq_governor结构和它的上下文数据。governor是实现该policy的关键所在，调频策略的逻辑由governor实现。
• update    有时在中断上下文中需要更新policy，需要利用该工作队列把实际的工作移到稍后的进程上下文中执行。
• user_policy    有时候因为特殊的原因需要修改policy的参数，比如溫度过高时，最大可允许的运行频率可能会被降低，为了在适当的时候恢复原有的运行参数，需要使用user_policy保存原始的参数（min，max，policy，governor）。
• kobj    该policy在sysfs中对应的kobj的对象。

4.  cpufreq_governor

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所谓的governor，我把它翻译成：调节器。governor负责检测cpu的使用状况，从而在可用的范围中选择一个合适的频率，代码中它用cpufreq_governor结构来表示：

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;
};

其中的各个字段的解释如下：

• name    该governor的名字。
• initialized    初始化标志。
• governor    指向一个回调函数，CPUFreq Core会在不同的阶段调用该回调函数，用于该governor的启动、停止、初始化、退出动作。
• list_head    所有注册的governor都会利用该字段链接在一个全局链表中，以供系统查询和使用。

5.  cpufreq_driver

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上一节提到的gonvernor只是负责计算并提出合适的频率，但是频率的设定工作是平台相关的，这需要cpufreq_driver驱动来完成，cpufreq_driver的结构如下：

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;
};

相关的字段的意义解释如下：

• name    该频率驱动的名字。
• init    回调函数，该回调函数必须实现，CPUFreq Core会通过该回调函数对该驱动进行必要的初始化工作。
• verify    回调函数，该回调函数必须实现，CPUFreq Core会通过该回调函数检查policy的参数是否被驱动支持。
• setpolicy/target    回调函数，驱动必须实现这两个函数中的其中一个，如果不支持通过governor选择合适的运行频率，则实现setpolicy回调函数，这样系统只能支持CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE这两种工作策略。反之，实现target回调函数，通过target回调设定governor所需要的频率。
• get    回调函数，用于获取cpu当前的工作频率。
• getavg    回调函数，用于获取cpu当前的平均工作频率。

6.  cpufreq notifiers

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CPUFreq的通知系统使用了内核的标准通知接口。它对外提供了两个通知事件：policy通知和transition通知。

policy通知用于通知其它模块cpu的policy需要改变，每次policy改变时，该通知链上的回调将会用不同的事件参数被调用3次，分别是：

• 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。

transition通知链用于在驱动实施调整cpu的频率时，用于通知相关的注册者。每次调整频率时，该通知会发出两次通知事件：

• CPUFREQ_PRECHANGE    调整前的通知。
  
• CPUFREQ_POSTCHANGE    完成调整后的通知。
  

当检测到因系统进入suspend而造成频率被改变时，以下通知消息会被发出：

• CPUFREQ_RESUMECHANGE