Linux動態頻率調節系統CPUFreq之一：概述
隨著技術的發展，我們對CPU的處理能力提出了越來越高的需求，晶片廠家也對製造工藝不斷地提升。現在的主流PC處理器的主頻已經在3GHz左右，就算是智慧手機的處理器也已經可以工作在1.5GHz以上，可是我們並不是時時刻刻都需要讓CPU工作在最高的主頻上，尤其是移動裝置和膝上型電腦，大部分時間裡，CPU其實工作在輕負載狀態下，我們知道：主頻越高，功耗也越高。為了節省CPU的功耗和減少發熱，我們有必要根據當前CPU的負載狀態，動態地提供剛好足夠的主頻給CPU。在Linux中，核心的開發者定義了一套框架模型來完成這一目的，它就是CPUFreq系統。
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1. sysfs介面
我們先從CPUFreq提供的sysfs介面入手，直觀地看看它提供了那些功能。以下是我的電腦輸出的結果：
[email protected]:~$ cd /sys/devices/system/cpu [email protected]:/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
所有與CPUFreq相關的sysfs介面都位於：/sys/devices/system/cpu下面，我們可以看到，8個cpu分別建立了一個自己的目錄，從cpu0到cpu7，我們再看看offline和online以及present的內容：
[email protected]:/sys/devices/system/cpu$ cat online
0-7
[email protected]:/sys/devices/system/cpu$ cat offline
8-15
[email protected]:/sys/devices/system/cpu$ cat present
0-7
[email protected] 接著往下看：
[email protected]:/sys/devices/system/cpu/cpu0$ ls
cache cpuidle microcode power thermal_throttle uevent
cpufreq crash_notes node0 subsystem topology
[email protected]:/sys/devices/system/cpu/cpu0$ cd cpufreq/
[email protected]:/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
[email protected]:/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的最低執行頻率是1.6GHz，最高是3.4GHz，目前正在執行的頻率是1.6GHz，字首cpuinfo代表的是cpu硬體上支援的頻率，而scaling字首代表的是可以通過CPUFreq系統用軟體進行調節時所支援的頻率。cpuinfo_cur_freq代表通過硬體實際上讀到的頻率值，而scaling_cur_freq則是軟體當前的設定值，多數情況下這兩個值是一致的，但是也有可能因為硬體的原因，有微小的差異。scaling_available_frequencies會輸出當前軟體支援的頻率值，看看我的cpu支援那些頻率：
[email protected]:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$ cat scaling_available_frequencies
3401000 3400000 3000000 2800000 2600000 2400000 2200000 2000000 1800000 1600000
[email protected]:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$
conservative ondemand userspace powersave performance[email protected]:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$ cat scaling_governor
ondemand當我們選擇userspace作為我們的調頻governor時，我們可以通過scaling_setspeed手工設定需要的頻率。powersave則簡單地使用最低的工作頻率進行執行，而performance則一直選擇最高的頻率進行執行。
2. 軟體架構
通過上一節的介紹，我們可以大致梳理出CPUFreq系統的構成和工作方式。首先，CPU的硬體特性決定了這個CPU的最高和最低工作頻率，所有的頻率調整數值都必須在這個範圍內，它們用cpuinfo_xxx_freq來表示。然後，我們可以在這個範圍內再次定義出一個軟體的調節範圍，它們用scaling_xxx_freq來表示，同時，根據具體的硬體平臺的不同，我們還需要提供一個頻率表，這個頻率表規定了cpu可以工作的頻率值，當然這些頻率值必須要在cpuinfo_xxx_freq的範圍內。有了這些頻率資訊，CPUFreq系統就可以根據當前cpu的負載輕重狀況，合理地從頻率表中選擇一個合適的頻率供cpu使用，已達到節能的目的。至於如何選擇頻率表中的頻率，這個要由不同的governor來實現，目前的核心版本提供了5種governor供我們選擇。選擇好適當的頻率以後，具體的頻率調節工作就交由scaling_driver來完成。CPUFreq系統把一些公共的邏輯和介面程式碼抽象出來，這些程式碼與平臺無關，也與具體的調頻策略無關，核心的文件把它稱為CPUFreq Core（/Documents/cpufreq/core.txt）。另外一部分，與實際的調頻策略相關的部分被稱作cpufreq_policy，cpufreq_policy又是由頻率資訊和具體的governor組成，governor才是具體策略的實現者，當然governor需要我們提供必要的頻率資訊，governor的實現最好能做到平臺無關，與平臺相關的程式碼用cpufreq_driver表述，它完成實際的頻率調節工作。最後，如果其他核心模組需要在頻率調節的過程中得到通知訊息，則可以通過cpufreq notifiers來完成。由此，我們可以總結出CPUFreq系統的軟體結構如下：
3. cpufreq_policy
一種調頻策略的各種限制條件的組合稱之為policy，程式碼中用cpufreq_policy這一資料結構來表示：
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 這兩個都是cpumask_var_t變數，cpus表示的是這一policy控制之下的所有還出於online狀態的cpu，而related_cpus則是online和offline兩者的合集。主要是用於多個cpu使用同一種policy的情況，實際上，我們平常見到的大多數系統中都是這種情況：所有的cpu同時使用同一種policy。我們需要related_cpus變數指出這個policy所管理的所有cpu編號。
- cpu和last_cpu 雖然一種policy可以同時用於多個cpu，但是通常一種policy只會由其中的一個cpu進行管理，cpu變數用於記錄用於管理該policy的cpu編號，而last_cpu則是上一次管理該policy的cpu編號（因為管理policy的cpu可能會被plug out，這時候就要把管理工作遷移到另一個cpu上）。
- cpuinfo 儲存cpu硬體所能支援的最大和最小的頻率以及切換延遲資訊。
- min/max/cur 該policy下的可使用的最小頻率，最大頻率和當前頻率。
- policy 該變數可以取以下兩個值：CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE，該變數只有當調頻驅動支援setpolicy回撥函式的時候有效，這時候由驅動根據policy變數的值來決定系統的工作頻率或狀態。如果調頻驅動（cpufreq_driver）支援target回撥，則頻率由相應的governor來決定。
- governor和governor_data 指向該policy當前使用的cpufreq_governor結構和它的上下文資料。governor是實現該policy的關鍵所在，調頻策略的邏輯由governor實現。
- update 有時在中斷上下文中需要更新policy，需要利用該工作佇列把實際的工作移到稍後的程序上下文中執行。
- user_policy 有時候因為特殊的原因需要修改policy的引數，比如溫度過高時，最大可允許的執行頻率可能會被降低，為了在適當的時候恢復原有的執行引數，需要使用user_policy儲存原始的引數（min，max，policy，governor）。
- kobj 該policy在sysfs中對應的kobj的物件。
4. cpufreq_governor
所謂的governor，我把它翻譯成：調節器。governor負責檢測cpu的使用狀況，從而在可用的範圍中選擇一個合適的頻率，程式碼中它用cpufreq_governor結構來表示：
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;
};其中的各個欄位的解釋如下：
- name 該governor的名字。
- initialized 初始化標誌。
- governor 指向一個回撥函式，CPUFreq Core會在不同的階段呼叫該回調函式，用於該governor的啟動、停止、初始化、退出動作。
- list_head 所有註冊的governor都會利用該欄位連結在一個全域性連結串列中，以供系統查詢和使用。
5. cpufreq_driver
上一節提到的gonvernor只是負責計算並提出合適的頻率，但是頻率的設定工作是平臺相關的，這需要cpufreq_driver驅動來完成，cpufreq_driver的結構如下：
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;
};
相關的欄位的意義解釋如下：
- name 該頻率驅動的名字。
- init 回撥函式，該回調函式必須實現，CPUFreq Core會通過該回調函式對該驅動進行必要的初始化工作。
- verify 回撥函式，該回調函式必須實現，CPUFreq Core會通過該回調函式檢查policy的引數是否被驅動支援。
- setpolicy/target 回撥函式，驅動必須實現這兩個函式中的其中一個，如果不支援通過governor選擇合適的執行頻率，則實現setpolicy回撥函式，這樣系統只能支援CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE這兩種工作策略。反之，實現target回撥函式，通過target回撥設定governor所需要的頻率。
- get 回撥函式，用於獲取cpu當前的工作頻率。
- getavg 回撥函式，用於獲取cpu當前的平均工作頻率。
6. cpufreq notifiers
CPUFreq的通知系統使用了核心的標準通知介面。它對外提供了兩個通知事件：policy通知和transition通知。
policy通知用於通知其它模組cpu的policy需要改變，每次policy改變時，該通知鏈上的回撥將會用不同的事件引數被呼叫3次，分別是：
- CPUFREQ_ADJUST 只要有需要，所有的被通知者可以在此時修改policy的限制資訊，比如溫控系統可能會修改在大允許執行的頻率。
- CPUFREQ_INCOMPATIBLE 只是為了避免硬體錯誤的情況下，可以在該通知中修改policy的限制資訊。
- CPUFREQ_NOTIFY 真正切換policy前，該通知會發往所有的被通知者。
- CPUFREQ_PRECHANGE 調整前的通知。
- CPUFREQ_POSTCHANGE 完成調整後的通知。
- CPUFREQ_RESUMECHANGE