Linux2.6內(nèi)核中的最新電源管理技術(shù)綜述

　　前言

　　本系列文章將結(jié)合近年來不斷在各種硬件（包括 CPU、芯片組、PCI Express 等各種最新總線標(biāo)準(zhǔn)以及外設(shè)）上新增的節(jié)能技術(shù)。

　　從 Linux? 2.6內(nèi)核及整個(gè) software stack （包括 kernel、middleware 以及各種用戶態(tài) utility）如何添加對(duì)這些創(chuàng)新的節(jié)能技術(shù)的支持這一角度，為讀者介紹 Linux 操作系統(tǒng)近幾年來在電源管理方面所取得的長足進(jìn)步以及未來的發(fā)展方向。

　　作為本系列文章的開篇之作，首先要向大家介紹的是 cpufreq，它是 Linux 2.6內(nèi)核為了更好的支持近年來在各款主流CPU 處理器中出現(xiàn)的變頻技術(shù)而新增的一個(gè)內(nèi)核子系統(tǒng)。

　　Cpufreq 的由來

　　隨著 energy efficient computing 和 performance per watt 等概念的推廣以及高級(jí)配置與電源接口ACPI（Advanced Configuration and Power Interface）標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，目前市場(chǎng)上的主流 CPU 都提供了對(duì)變頻（frequency scaling）技術(shù)的支持。例如Intel?處理器所支持的 Enhanced SpeedStep? 技術(shù)和 AMD? 處理器所支持的 PowerNow！ ? 技術(shù)，另外像最新的PowerPC?、ARM?、SPARC? 和 SuperH? 等處理器中也提供了類似的支持。參考資料中列出了當(dāng)前 Linux 2.6內(nèi)核所支持的具備變頻技術(shù)的處理器。需要注意的是，這里要討論的變頻技術(shù)與大家以前所熟知的超頻是兩個(gè)不同的概念。超頻是指通過提高核心電壓等手段讓處理器工作在非標(biāo)準(zhǔn)頻率下的行為，這往往會(huì)造成 CPU 使用壽命縮短以及系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等嚴(yán)重后果。

　　而變頻技術(shù)是指CPU硬件本身支持在不同的頻率下運(yùn)行，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可以根據(jù)隨時(shí)可能發(fā)生變化的系統(tǒng)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)在這些不同的運(yùn)行頻率之間進(jìn)行切換，從而達(dá)到對(duì)性能和功耗做到二者兼顧的目的。

　　雖然多個(gè)處理器生產(chǎn)廠家都提供了對(duì)變頻技術(shù)的支持，但是其硬件實(shí)現(xiàn)和使用方法必然存在著細(xì)微甚至巨大的差別。這就使得每個(gè)處理器生產(chǎn)廠家都需要按照其特殊的硬件實(shí)現(xiàn)和使用方法向內(nèi)核中添加代碼，從而讓自己產(chǎn)品中的變頻技術(shù)在 Linux 中得到支持和使用。然而，這種內(nèi)核開發(fā)模式所導(dǎo)致的后果是各個(gè)廠家的實(shí)現(xiàn)代碼散落在 Linux 內(nèi)核代碼樹的各個(gè)角落里，各種不同的實(shí)現(xiàn)之間沒有任何代碼是共享的，這給內(nèi)核的維護(hù)以及將來添加對(duì)新的產(chǎn)品的支持都帶來了巨大的開銷，并直接導(dǎo)致了 cpufreq 內(nèi)核子系統(tǒng)的誕生。實(shí)際上，正如前文所說，發(fā)明變頻技術(shù)的目的是為了能夠讓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整 CPU 的運(yùn)行頻率。這件事情可以分為兩個(gè)部分，一部分是“做什么”的問題，另一部分是“怎么做”的問題?！白鍪裁础笔侵溉绾胃鶕?jù)系統(tǒng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化挑選出 CPU 合適的運(yùn)行頻率，而“怎么做”就是要按照選定的運(yùn)行頻率在選定的時(shí)間對(duì) CPU 進(jìn)行設(shè)置，使之真正工作在這一頻率上。這也就是我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到的機(jī)制 mechanism 與策略 policy 的問題，而設(shè)計(jì)良好的軟件會(huì)在架構(gòu)上保證二者是被清晰的隔離開的并通過規(guī)范定義的接口進(jìn)行通信。

　　Cpufreq 的設(shè)計(jì)和使用

　　為了解決前文所提到的問題，一個(gè)新的內(nèi)核子系統(tǒng)—— cpufreq 應(yīng)運(yùn)而生了。Cpufreq 為在Linux 內(nèi)核中更好的支持不同 CPU 的變頻技術(shù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)框架，其軟件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

　　 圖 1. Cpufreq 的軟件結(jié)構(gòu)

如圖 1 所示，cpufreq 在設(shè)計(jì)上主要分為以下三個(gè)模塊：

　　Cpufreq 模塊（cpufreq module）對(duì)如何在底層控制各種不同CPU 所支持的變頻技術(shù)以及如何在上層根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載動(dòng)態(tài)選擇合適的運(yùn)行頻率進(jìn)行了封裝和抽象，并在二者之間定義了清晰的接口，從而在設(shè)計(jì)上完成了前文所提到的對(duì) mechanism 與policy 的分離。

　　在 cpufreq 模塊的底層，各個(gè)CPU 生產(chǎn)廠商只需根據(jù)其變頻技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)和使用方法提供與其 CPU 相關(guān)的變頻驅(qū)動(dòng)程序（CPU-specific drivers），例如 Intel 需要提供支持Enhanced SpeedStep 技術(shù)的 CPU 驅(qū)動(dòng)程序，而 AMD 則需要提供支持 PowerNow！ 技術(shù)的 CPU 驅(qū)動(dòng)程序。

　　在 cpufreq 模塊的上層，governor 作為選擇合適的目標(biāo)運(yùn)行頻率的決策者，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻選擇出 CPU 適合的運(yùn)行頻率，并通過 cpufreq 模塊定義的接口操作底層與 CPU 相關(guān)的變頻驅(qū)動(dòng)程序，將 CPU 設(shè)置運(yùn)行在選定的運(yùn)行頻率上。

　　目前最新的 Linux 內(nèi)核中提供了 performance 、powersave 、userspace、conservative 和 ondemand 五種 governors 供用戶選擇使用，它們?cè)谶x擇 CPU 合適的運(yùn)行頻率時(shí)使用的是各自不同的標(biāo)準(zhǔn)并分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。用戶在同一時(shí)間只能選擇其中一個(gè) governor 使用，但是可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中根據(jù)應(yīng)用需求的變化而切換使用另一個(gè) governor 。

　　這種設(shè)計(jì)帶來的好處是使得 governor 和 CPU 相關(guān)的變頻驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)可以相互獨(dú)立進(jìn)行，并在最大限度上實(shí)現(xiàn)代碼重用，內(nèi)核開發(fā)人員在編寫和試驗(yàn)新的 governor 時(shí)不會(huì)再陷入到某款特定 CPU 的變頻技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)中去，而 CPU 生產(chǎn)廠商在向 Linux 內(nèi)核中添加支持其特定的 CPU 變頻技術(shù)的代碼時(shí)只需提供一個(gè)相對(duì)來說簡單了很多的驅(qū)動(dòng)程序，而不必考慮在各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景中如何選擇合適的運(yùn)行頻率這些復(fù)雜的問題。

　　內(nèi)核中的 cpufreq 子系統(tǒng)通過 sysfs 文件系統(tǒng)向上層應(yīng)用提供了用戶接口，對(duì)于系統(tǒng)中的每一個(gè) CPU 而言，其 cpufreq 的 sysfs 用戶接口位于 /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/ 目錄下，其中 X 代表 processor id ，與 /proc/cpuinfo 中的信息相對(duì)應(yīng)。以cpu0 為例，用戶一般會(huì)在該目錄下觀察到以下文件：

　　$ ls -F /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/

　　affected_cpus

　　cpuinfo_cur_freq

　　cpuinfo_max_freq

　　cpuinfo_min_freq

　　ondemand/

　　scaling_available_frequencies

　　scaling_available_governors

　　scaling_cur_freq

　　scaling_driver

　　scaling_governor

　　scaling_max_freq

　　scaling_min_freq

　　stats/

　　這其中的所有可讀文件都可以使用 cat 命令進(jìn)行讀操作，另外所有可寫文件都可以使用 echo 命令進(jìn)行寫操作。其中cpuinfo_max_freq 和 cpuinfo_min_freq 分別給出了CPU 硬件所支持的最高運(yùn)行頻率及最低運(yùn)行頻率， cpuinfo_cur_freq 則會(huì)從 CPU 硬件寄存器中讀取 CPU 當(dāng)前所處的運(yùn)行頻率。雖然 CPU 硬件支持多種不同的運(yùn)行頻率，但是在有些場(chǎng)合下用戶可以只選擇使用其中的一個(gè)子集，這種控制是通過scaling_max_freq 和 scaling_min_freq 進(jìn)行的。Governor在選擇合適的運(yùn)行頻率時(shí)只會(huì)在 scaling_max_freq 和scaling_min_freq 所確定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，這也就是scaling_available_frequencies 所顯示的內(nèi)容。與cpuinfo_cur_freq 不同， scaling_cur_freq 返回的是cpufreq 模塊緩存的 CPU 當(dāng)前運(yùn)行頻率，而不會(huì)對(duì) CPU 硬件寄存器進(jìn)行檢查。 scaling_available_governors 會(huì)告訴用戶當(dāng)前有哪些 governors 可供用戶使用，而 scaling_driver 則會(huì)顯示該 CPU 所使用的變頻驅(qū)動(dòng)程序。 Stats 目錄下給出了對(duì) CPU 各種運(yùn)行頻率的使用統(tǒng)計(jì)情況，例如 CPU 在各種頻率下的運(yùn)行時(shí)間以及在各種頻率之間的變頻次數(shù)。 Ondemand 目錄則與 ondemand governor 相關(guān)，在后文會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的介紹。

　　通過以上的介紹，大家對(duì)如何使用 cpufreq 通過 sysfs 提供的用戶接口已經(jīng)有了大致的了解，但是對(duì)于絕大部分用戶而言，逐一操作這些文件既費(fèi)力又耗時(shí)。因此 Dominik 等人開發(fā)了cpufrequtils 工具包［2］，為用戶提供了更加簡便的對(duì)內(nèi)核cpufreq 子系統(tǒng)的操作接口。通過 cpufreq-info 的輸出，讀者可以很清楚的看到剛剛在上面介紹過的/sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/ 目錄下各個(gè)文件的內(nèi)容。

　　$ cpufreq-info

　　cpufrequtils 002： cpufreq-info （C） Dominik Brodowski

　　2004-2006

　　Report errors and bugs to linux@brodo.de， please.

　　analyzing CPU 0：

　　driver： acpi-cpufreq

　　CPUs which need to switch frequency at the same time：

　　0 1

　　hardware limits： 1000 MHz - 1.67 GHz

　　available frequency steps： 1.67 GHz， 1.33 GHz， 1000

　　MHz

　　available cpufreq governors： userspace， conservative，

　　ondemand， powersave， performance

　　current policy： frequency should be within 1000 MHz

　　and 1.67 GHz.

　　The governor “ondemand” may decide which

　　speed to use

　　within this range.

　　current CPU frequency is 1000 MHz.

　　analyzing CPU 1：

　　driver： acpi-cpufreq

　　CPUs which need to switch frequency at the same time：

　　0 1

　　hardware limits： 1000 MHz - 1.67 GHz

　　available frequency steps： 1.67 GHz， 1.33 GHz， 1000

　　MHz

　　available cpufreq governors： userspace， conservative，

　　ondemand， powersave， performance

　　current policy： frequency should be within 1000 MHz

　　and 1.67 GHz.

　　The governor “ondemand” may decide which

　　speed to use

　　within this range.

　　current CPU frequency is 1000 MHz.

　　Ondemand governor 的由來及其實(shí)現(xiàn)剛剛我們?cè)?cpufreq-info 的輸出中可以看到 cpufreq 子系統(tǒng)一共提供了五種 governors 供用戶選擇使用，它們分別是 userspace，conservative，ondemand，powersave 和performance。在最新的內(nèi)核中如果用戶不進(jìn)行額外設(shè)置的話，ondemand 會(huì)被作為默認(rèn)的 governor 使用。為了理解是什么原因造成了這種現(xiàn)狀，我們?cè)谶@里帶領(lǐng)讀者回顧一下 cpufreq 子系統(tǒng)中的governor在內(nèi)核中的開發(fā)歷史。

Cpufreq 作為一個(gè)子系統(tǒng)最早被加入到 Linux 內(nèi)核中時(shí)只配備了三個(gè)governors ，分別是performance、powersave 和userspace。當(dāng)用戶選擇使用 performance governor 時(shí)，CPU會(huì)固定工作在其支持的最高運(yùn)行頻率上；當(dāng)用戶選擇使用powersave g