一文搞懂linux cpu dvfs

1.介绍

CPU dvfs(dynamic voltage frequency scaling)子系统负责cpu运行时，对其频率及电压进行调整，以求性能满足的前提下，cpu的功耗尽可能低。

芯片的CMOS电路的功耗有个计算公式，比较复杂，简单来说功耗跟电压平方成正比，跟频率成正比，因此CPU dvfs在涉及到电压调整的时候，功耗受益还是很明显的。 但是仅调频的话，收益是比较小的，因为频率对应着算力，当频率减少，对应的算力也减弱，这样执行时间也会变长。

CPU dvfs framework(也常被称为cpufreq framework)和其他的linux framework类似。 主要解决两个问题：什么时候调频调压，怎么调频调压。 cpufreq driver提供调频调压的机制，cpufreq governor提供不同的策略，cpufreq core对通用的调频逻辑做抽象，为上层提供功能、接口封装，对下层调用抽象封装的硬件控制接口。 此外，还借助频率电压对opp(operating performance points)功能，clk driver、regulator driver对频率及电压做硬件时钟及电压的调整。

2. 框架

cpufreq core：是cpufreq framework的核心模块，和kernel其它framework类似，主要实现三类功能

抽象调频调压的公共逻辑和接口，主要围绕struct cpufreq_driver、struct cpufreq_policy和struct cpufreq_governor三个数据结构进行

以sysfs的形式向用户空间提供统一的接口，以notifier的形式向其它driver提供频率变化的通知。

提供CPU频率和电压控制的驱动框架，方便底层driver的开发; 同时，提供governor框架，用于实现不同的频率调整机制。

cpufreq governor：负责调频调压的各种策略，每种governor计算频率的方式不同，根据提供的频率范围和参数(阈值等)，计算合适的频率。

userspace：用户通过操作scaling_setspeed文件节点操作频率及电压的调整。

ondemand：根据CPU当前的使用率，动态调整cpu的频率及电压。 Sched通过调用ondemand注册进来的回调函数来触发负载的估算，它以一定时间间隔对系统负载进行采样，按需调整cpu的频率及电压，若当前cpu的利用率超过设定的阈值，就会立即调整到最大的频率。 调频速度快，但是不够精确。

conservative：类似ondemand，在调频调节时会平滑一下，以防最大、最小频率之间来回跳变。 调整的时候会以一定步长调整，而不是直接调整到目标值。 同时会周期的计算系统负载，用以决定调到什么频率。

schedutil：通过将自己的调频策略注册到hook，在负载发生变化的时候，会调用该hook，此时就可以进行调频决策或执行调频动作。 前面的调频策略都是周期采样计算cpu负载有滞后性，精度也有限，而schedutil可以使用PELT(per entity load tracking)或者WALT(window assist load tracking)准确的计算task的负载。 如果支持fast_switch的功能，可以在中断上下文直接进行调频。

cpufreq driver：负责平台相关的调频调压机制的实现，基于cpu subsystem driver、OPP、clock driver、regulator driver等模块，提供对CPU频率和电压的控制。

cpufreq stats：负责调频信息和各频点运行时间等统计，提供每个cpu的cpufreq有关的统计信息。

3. 数据结构

struct cpufreq_policy：linux使用cpufreq policy来抽象cpu设备的调频调压功能，用于描述不同的policy，包含频率表、cpuinfo等各种信息，并且每个policy都会对应某个具体的governor。

struct cpufreq_governor：不同policy的管理策略，根据使用场景的不同，会有不同的调频调压策略。

struct cpufreq_driver：用于描述cpufreq的驱动，是驱动工程师最关注的结构。

4. 初始化及工作流程

4.1 初始化流程

cpufreq_register_driver函数为cpufreqdriver注册的入口，驱动程序通过调用该函数进行初始化，并传入相关的struct cpufreq_driver，cpufreq_register_driver会调用subsys_interface_register，最终执行回调函数cpufreq_add_dev。

系统中可以同时存在多个governor，policy通过cpufreq_policy->governor指针和某个governor相关联。要想一个governor能够被使用，首先要把该governor注册到cpufreq framework中。

cpufreq core定义了一个全局链表变量：cpufreq_governor_list，注册函数首先根据governor的名称，通过__find_governor()函数查找该governor是否已经被注册过，如果没有被注册过，则把代表该governor的结构体添加到cpufreq_governor_list链表中。

4.2 工作流程

不同的governor的触发调频调压流程不一样，这里以scheduutil governor为例。

CFS负载变化的时候或者RT、DL任务状态更新的时候，就会启动调频这几个scheduler类会调用cpufreq_update_util函数(前面注册进来的hook函数)触发schedutil工作。每个cpu最终会回调到sugov_upate_shared或者sugov_upate_single函数中的一个。

由于是从scheduler里直接调用下来的，最终执行调频切换时，无论是快速路径触发的简单写寄存器，还是慢速路径触发的kthread都不会占用过多时间或者调度开销。

具体的触发时机如下：

审核编辑：汤梓红