初探Linux CPU动态调频与实测

关于

本文主要涉及Linux CPUFreq子系统是什么，为什么需要，怎么用。

并解决在实际测试中遇到的三个问题：

• scaling_governor没有userspace的问题。
• /proc/cpuinfo与cpuinfo_cur_freq显示频率不同。
• 无法针对单个核心调频并使一个CPU下的不同的核心运行在不同的频率下。

参考资料

1. Linux 2.6 内核中的最新电源管理技术综述_CPUFreq
2. Linux动态频率调节系统CPUFreq
3. Fedora社区对于问题一的讨论地址
4. Archlinux论坛对于问题一的讨论地址
5. StackExchange 问题：Why do cpuinfo_cur_freq and /proc/cpuinfo report different numbers?
6. Stackoverflow 问题：Understanding cpu frequency, thread selection and more
7. Intel 论坛问题：How can I scale only one core’s frequency in a multi-core processor?

初探变频技术：在Linux中查看CPU相关信息

再问为什么之前，可以先看看到底Linux变频到底是什么，可以通过什么手段来看。

本部分使用的操作系统是Fedora27，linux内核版本是4.13。本部分参考参考资料2的博客。

在Linux系统中查看与CPU相关的信息主要有两个方法：

• 通过查看/proc/cpuinfo，比如当前运行频率可以通过|grep MHz查看。但是这个方法在413，414内核变动较大，不推荐通过此方法查看。具体的原因可以见后面的小节。
• 另外一个方法是通过sysfs查看与修改，目录是/sys/devices/system/cpu/cpu*

先主要通过第二个方法进行查看：

与CPU相关的sysfs接口均在此目录下，可以通过查看这些文件内容查看CPU相关的信息，例如：

• online offline 文件中保存着当前在线以及下线的核心的数量。
• present 中记录着主板上安装的CPU的编号

进一步进入cpufreq目录下，该目录下的文件记录与频率相关的内容。

对于fedora系统，无需安装其它工具。如果使用ubuntu系统时，该目录可能为空，需要手动安装cpufrequtils 。

在cpuN（N为具体的第几个CPU）下有关于该CPU的具体参数文件。与频率有关的文件在该目录下的cpufreq文件夹下。fedora系统该文件夹下有如下信息：

• cpuinfo_xxx 开头文件代表着cpu硬件上支持的频率
  
  • cpuinfo_max_freq cpuinfo_min_freq 最大、最小频率
  • cpuinfo_cur_freq 是当前运行的频率（可能也有问题，具体见后面的小节）
• scaling_xxx开头文件代表可以通过CPUFreq系统用软件进行调节时所支持的频率
  
  • scaling_available_governors 可供选择的频率调节策略
  • scaling_governors 当前选择的策略
  • scaling_max_freq scaling_min_freq 调节是最大、最小频率
  • scaling_cur_freq 是软件当前指定的频率
  • scaling_driver 调频驱动 （当前intel_pstate）

特别注意：可能新版的处理器，新的Linux内核中只有部分接口，且调度也只有powersave和ondemand两种，这是由于使用了p-state driver导致。如何修改见后面小节。

CPUFreq 子系统

根据以上观察，可以有如下总结：

• 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。
• 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
• 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
• 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
• 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

关于CPUFreq的具体理论，主要参考参考文献1，该参考文献使用的linux内核位2.6版本，该部分以2.6版本为主。

为什么会出现变频技术

简要来说，变频技术的主要目的是节约功耗。变频技术作为电源管理技术以节能为目的加入linux内核。与之前看的大小核类似，变频技术都是为了 energy efficient computing，为了提高performance per watt。