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
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$
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$
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$
- conservative ondemand userspace powersave performance
- dong@dong-990:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$ cat scaling_governor
- ondemand
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
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
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;
- };
- 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
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
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
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。
- CPUFREQ_PRECHANGE 调整前的通知。
- CPUFREQ_POSTCHANGE 完成调整后的通知。
- CPUFREQ_RESUMECHANGE