Linux性能之DVFS/cpufreq

简介

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。

cpufrq

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：

策略名	策略说明
ondemand	平时以低俗运行，系统负载提高时按需提高频率
performance	CPU以最高频率运行
conservative	跟ondemand方式类似， 不同之处在于提高频率时渐进提高
powersave	cpu以最低频率运行
userspace	使用用户在/sys 节点scaling_setspeed设置的频率运行

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：

接口名字	解释
cpuinfo_max_freq	CPU硬件配置的最高频率
cpuinfo_min_freq	CPU硬件配置的最低频率
cpuinfo_cur_freq	CPU当前运行频率，硬件读取
scaling_cur_freq	CPU当前运行频率，CPUfreq模块缓存的频率
scaling_driver	CPU驱动模块
scaling_governor	当前的调度策略
scaling_available_governors	可用的调度策略
scaling_setspeed	当策略为user时，设置CPU频率

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。

内核配置

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。

调优

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。