一文搞懂linux cpu dvfs

1.介紹

CPU dvfs(dynamic voltage frequency scaling)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)cpu運行時，對其頻率及電壓進行調(diào)整，以求性能滿足的前提下，cpu的功耗盡可能低。

芯片的CMOS電路的功耗有個計算公式，比較復(fù)雜，簡單來說功耗跟電壓平方成正比，跟頻率成正比，因此CPU dvfs在涉及到電壓調(diào)整的時候，功耗受益還是很明顯的。 但是僅調(diào)頻的話，收益是比較小的，因為頻率對應(yīng)著算力，當(dāng)頻率減少，對應(yīng)的算力也減弱，這樣執(zhí)行時間也會變長。

CPU dvfs framework(也常被稱為cpufreq framework)和其他的linux framework類似。 主要解決兩個問題：什么時候調(diào)頻調(diào)壓，怎么調(diào)頻調(diào)壓。 cpufreq driver提供調(diào)頻調(diào)壓的機制，cpufreq governor提供不同的策略，cpufreq core對通用的調(diào)頻邏輯做抽象，為上層提供功能、接口封裝，對下層調(diào)用抽象封裝的硬件控制接口。 此外，還借助頻率電壓對opp(operating performance points)功能，clk driver、regulator driver對頻率及電壓做硬件時鐘及電壓的調(diào)整。

2. 框架

cpufreq core：是cpufreq framework的核心模塊，和kernel其它framework類似，主要實現(xiàn)三類功能

抽象調(diào)頻調(diào)壓的公共邏輯和接口，主要圍繞struct cpufreq_driver、struct cpufreq_policy和struct cpufreq_governor三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行

以sysfs的形式向用戶空間提供統(tǒng)一的接口，以notifier的形式向其它driver提供頻率變化的通知。

提供CPU頻率和電壓控制的驅(qū)動框架，方便底層driver的開發(fā); 同時，提供governor框架，用于實現(xiàn)不同的頻率調(diào)整機制。

cpufreq governor：負(fù)責(zé)調(diào)頻調(diào)壓的各種策略，每種governor計算頻率的方式不同，根據(jù)提供的頻率范圍和參數(shù)(閾值等)，計算合適的頻率。

userspace：用戶通過操作scaling_setspeed文件節(jié)點操作頻率及電壓的調(diào)整。

ondemand：根據(jù)CPU當(dāng)前的使用率，動態(tài)調(diào)整cpu的頻率及電壓。 Sched通過調(diào)用ondemand注冊進來的回調(diào)函數(shù)來觸發(fā)負(fù)載的估算，它以一定時間間隔對系統(tǒng)負(fù)載進行采樣，按需調(diào)整cpu的頻率及電壓，若當(dāng)前cpu的利用率超過設(shè)定的閾值，就會立即調(diào)整到最大的頻率。 調(diào)頻速度快，但是不夠精確。

conservative：類似ondemand，在調(diào)頻調(diào)節(jié)時會平滑一下，以防最大、最小頻率之間來回跳變。 調(diào)整的時候會以一定步長調(diào)整，而不是直接調(diào)整到目標(biāo)值。 同時會周期的計算系統(tǒng)負(fù)載，用以決定調(diào)到什么頻率。

schedutil：通過將自己的調(diào)頻策略注冊到hook，在負(fù)載發(fā)生變化的時候，會調(diào)用該hook，此時就可以進行調(diào)頻決策或執(zhí)行調(diào)頻動作。 前面的調(diào)頻策略都是周期采樣計算cpu負(fù)載有滯后性，精度也有限，而schedutil可以使用PELT(per entity load tracking)或者WALT(window assist load tracking)準(zhǔn)確的計算task的負(fù)載。 如果支持fast_switch的功能，可以在中斷上下文直接進行調(diào)頻。

cpufreq driver：負(fù)責(zé)平臺相關(guān)的調(diào)頻調(diào)壓機制的實現(xiàn)，基于cpu subsystem driver、OPP、clock driver、regulator driver等模塊，提供對CPU頻率和電壓的控制。

cpufreq stats：負(fù)責(zé)調(diào)頻信息和各頻點運行時間等統(tǒng)計，提供每個cpu的cpufreq有關(guān)的統(tǒng)計信息。

3. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct cpufreq_policy：linux使用cpufreq policy來抽象cpu設(shè)備的調(diào)頻調(diào)壓功能，用于描述不同的policy，包含頻率表、cpuinfo等各種信息，并且每個policy都會對應(yīng)某個具體的governor。

struct cpufreq_governor：不同policy的管理策略，根據(jù)使用場景的不同，會有不同的調(diào)頻調(diào)壓策略。

struct cpufreq_driver：用于描述cpufreq的驅(qū)動，是驅(qū)動工程師最關(guān)注的結(jié)構(gòu)。

4. 初始化及工作流程

4.1 初始化流程

cpufreq_register_driver函數(shù)為cpufreqdriver注冊的入口，驅(qū)動程序通過調(diào)用該函數(shù)進行初始化，并傳入相關(guān)的struct cpufreq_driver，cpufreq_register_driver會調(diào)用subsys_interface_register，最終執(zhí)行回調(diào)函數(shù)cpufreq_add_dev。

系統(tǒng)中可以同時存在多個governor，policy通過cpufreq_policy->governor指針和某個governor相關(guān)聯(lián)。要想一個governor能夠被使用，首先要把該governor注冊到cpufreq framework中。

cpufreq core定義了一個全局鏈表變量：cpufreq_governor_list，注冊函數(shù)首先根據(jù)governor的名稱，通過__find_governor()函數(shù)查找該governor是否已經(jīng)被注冊過，如果沒有被注冊過，則把代表該governor的結(jié)構(gòu)體添加到cpufreq_governor_list鏈表中。

4.2 工作流程

不同的governor的觸發(fā)調(diào)頻調(diào)壓流程不一樣，這里以scheduutil governor為例。

CFS負(fù)載變化的時候或者RT、DL任務(wù)狀態(tài)更新的時候，就會啟動調(diào)頻這幾個scheduler類會調(diào)用cpufreq_update_util函數(shù)(前面注冊進來的hook函數(shù))觸發(fā)schedutil工作。每個cpu最終會回調(diào)到sugov_upate_shared或者sugov_upate_single函數(shù)中的一個。

由于是從scheduler里直接調(diào)用下來的，最終執(zhí)行調(diào)頻切換時，無論是快速路徑觸發(fā)的簡單寫寄存器，還是慢速路徑觸發(fā)的kthread都不會占用過多時間或者調(diào)度開銷。

具體的觸發(fā)時機如下：

審核編輯：湯梓紅