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，芯片廠家也對制造工藝不斷地提升，現在的主流PC處理器的主頻已經在3GHz左右，就算是智能手機的處理器也已經可以作業在1.5GHz以上，可是我們并不是時時刻刻都需要讓CPU作業在最高的主頻上，尤其是移動設備和筆記本電腦，大部分時間里，CPU其實作業在輕負載狀態下，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，內核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，
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：
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
所有與CPUFreq相關的sysfs介面都位于：/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：
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$
online代表目前正在作業的cpu，輸出顯示編號為0-7這8個cpu在作業，offline代表目前被關掉的cpu，present則表示主板上已經安裝的cpu，由輸出可以看到，我的主板可以安裝16個cpu（因為intel的超執行緒技術，其實物理上只是8個），第8-15號cpu處于關閉狀態（實際上不存在，因為present只有0-7），
接著往下看：
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$
在我的電腦上，部分的值如下：
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的最低運行頻率是1.6GHz，最高是3.4GHz，目前正在運行的頻率是1.6GHz，前綴cpuinfo代表的是cpu硬體上支持的頻率，而scaling前綴代表的是可以通過CPUFreq系統用軟體進行調節時所支持的頻率，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會輸出當前軟體支持的頻率值，看看我的cpu支持那些頻率：
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$
Oh，從1.6GHz到3.4GHz，一共支持10擋的頻率可供選擇，scaling_available_governors則會輸出當前可供選擇的頻率調節策略：
conservative ondemand userspace powersave performance
一共有5中策略供我們選擇，那么當前系統選用那種策略？讓我們看看：
OK，我的系統當前選擇ondemand這種策略，這種策略的主要思想是：只要cpu的負載超過某一個閥值，cpu的頻率會立刻提升至最高，然后再根據實際情況降到合適的水平，詳細的情況我們留在后面的章節中討論，scaling_driver則會輸出當前使用哪一個驅動來設定cpu的作業頻率，
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作業頻率進行運行，而performance則一直選擇最高的頻率進行運行，
2. 軟體架構
通過上一節的介紹，我們可以大致梳理出CPUFreq系統的構成和作業方式，
首先，CPU的硬體特性決定了這個CPU的最高和最低作業頻率，所有的頻率調整數值都必須在這個范圍內，它們用cpuinfo_xxx_freq來表示，
然后，我們可以在這個范圍內再次定義出一個軟體的調節范圍，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可以作業的頻率值，當然這些頻率值必須要在cpuinfo_xxx_freq的范圍內，
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，
至于如何選擇頻率表中的頻率，這個要由不同的governor來實作，目前的內核版本提供了5種governor供我們選擇，選擇好適當的頻率以后，具體的頻率調節作業就交由scaling_driver來完成，CPUFreq系統把一些公共的邏輯和介面代碼抽象出來，這些代碼與平臺無關，也與具體的調頻策略無關，內核的檔案把它稱為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才是具體策略的實作者，當然governor需要我們提供必要的頻率資訊，governor的實作最好能做到平臺無關，與平臺相關的代碼用cpufreq_driver表述，它完成實際的頻率調節作業，
最后，如果其他內核模塊需要在頻率調節的程序中得到通知訊息，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，代碼中用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;
};
其中的各個欄位的解釋如下：
- 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于online狀態的cpu，而related_cpus則是online和offline兩者的合集，主要是用于多個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可以同時用于多個cpu，但是通常一種policy只會由其中的一個cpu進行管理，cpu變數用于記錄用于管理該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，這時候就要把管理作業遷移到另一個cpu上），
- cpuinfo 保存cpu硬體所能支持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持setpolicy回呼函式的時候有效，這時候由驅動根據policy變數的值來決定系統的作業頻率或狀態，如果調頻驅動（cpufreq_driver）支持target回呼，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結構和它的背景關系資料，governor是實作該policy的關鍵所在，調頻策略的邏輯由governor實作，
- update 有時在中斷背景關系中需要更新policy，需要利用該作業佇列把實際的作業移到稍后的行程背景關系中執行，
- 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，最大可允許的運行頻率可能會被降低，為了在適當的時候恢復原有的運行引數，需要使用user_policy保存原始的引數（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，從而在可用的范圍中選擇一個合適的頻率，代碼中它用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 初始化標志，
- governor 指向一個回呼函式，CPUFreq Core會在不同的階段呼叫該回呼函式，用于該governor的啟動、停止、初始化、退出動作，
- list_head 所有注冊的governor都會利用該欄位鏈接在一個全域鏈表中，以供系統查詢和使用，
5. cpufreq_driver
上一節提到的gonvernor只是負責計算并提出合適的頻率，但是頻率的設定作業是平臺相關的，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 回呼函式，該回呼函式必須實作，CPUFreq Core會通過該回呼函式對該驅動進行必要的初始化作業，
- verify 回呼函式，該回呼函式必須實作，CPUFreq Core會通過該回呼函式檢查policy的引數是否被驅動支持，
- setpolicy/target 回呼函式，驅動必須實作這兩個函式中的其中一個，如果不支持通過governor選擇合適的運行頻率，則實作setpolicy回呼函式，這樣系統只能支持CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE這兩種作業策略，反之，實作target回呼函式，通過target回呼設定governor所需要的頻率，
- get 回呼函式，用于獲取cpu當前的作業頻率，
- getavg 回呼函式，用于獲取cpu當前的平均作業頻率，
6. cpufreq notifiers
CPUFreq的通知系統使用了內核的標準通知介面，它對外提供了兩個通知事件：policy通知和transition通知，
policy通知用于通知其它模塊cpu的policy需要改變，每次policy改變時，該通知鏈上的回呼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運行的頻率，
- 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，
transition通知鏈用于在驅動實施調整cpu的頻率時，用于通知相關的注冊者，每次調整頻率時，該通知會發出兩次通知事件：
- CPUFREQ_PRECHANGE 調整前的通知，
- CPUFREQ_POSTCHANGE 完成調整后的通知，
當檢測到因系統進入suspend而造成頻率被改變時，以下通知訊息會被發出：
- CPUFREQ_RESUMECHANGE
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