之前章節(jié)介紹的電源管理都都直接下電，不用電當(dāng)然能節(jié)能，但是還有比較溫柔的方法就是通過調(diào)節(jié)電壓頻率。比如經(jīng)常的一個(gè)說法：CPU太熱了跑不動了，快給降頻下。頻率就干活的速度，干活太快，CPU都要燒了，太熱了，費(fèi)電啊。但是在戶外的設(shè)備，環(huán)境溫度過高還是要考慮遮陽、通風(fēng)來應(yīng)對，但降頻也可以降低溫度，但是會引起卡頓啊。

一般電壓和頻率是成對出現(xiàn)的，也叫OPP（Operating Performance Points），對其進(jìn)行調(diào)節(jié)也叫DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling），下面就來揭開這些技術(shù)的神秘面紗。

1. 整體介紹

1.1 DVFS

DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）即動態(tài)電壓頻率調(diào)整。這項(xiàng)技術(shù)可以根據(jù)芯片運(yùn)行的應(yīng)用程序的計(jì)算需求制定策略，動態(tài)調(diào)整電壓和頻率：

• 在不需要高性能時(shí)，降低電壓和頻率，以降低功耗；
• 在需要高性能時(shí)，提高電壓和頻率，以提高性能，從而達(dá)到兼顧性能而又節(jié)能的目的。

DVFS技術(shù)利用了CMOS芯片的特性：CMOS芯片的能量消耗正比于電壓的平方和時(shí)鐘頻率：

• 減少能量消耗需要降低電壓和頻率。
• 僅僅降低時(shí)鐘頻率并不節(jié)約能量，因?yàn)闀r(shí)鐘頻率的降低會帶來任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的增加。調(diào)節(jié)電壓需要以相同的比例調(diào)節(jié)頻率以滿足信號傳播延遲要求。然而不管是電壓調(diào)節(jié)還是頻率調(diào)節(jié)，都會造成系統(tǒng)性能的損失，并增加系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。
• DVFS技術(shù)是以延長任務(wù)執(zhí)行時(shí)間為代價(jià)來達(dá)到減少系統(tǒng)能量消耗的目的，體現(xiàn)了功耗與性能之間的權(quán)衡?？梢酝ㄟ^減少時(shí)鐘頻率來降低通用處理器功耗的。

1.2 Linux 軟件流程框圖

CPUFreq系統(tǒng)流程：

1. 用戶app可以使用/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/下的接口文件設(shè)置cpu頻率
2. 設(shè)置頻率的時(shí)候會調(diào)用相關(guān)governor的函數(shù)，主要包括查詢、設(shè)置等
3. governor負(fù)責(zé)采集與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)的信號，計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載，根據(jù)調(diào)節(jié)策略預(yù)測系統(tǒng)在下一時(shí)間段需要的性能。將預(yù)測的性能轉(zhuǎn)換成需要的頻率和電壓在cpufreq table中選擇一個(gè)，進(jìn)行調(diào)整芯片的時(shí)鐘和電壓設(shè)置。
4. governor需要設(shè)置的時(shí)候會調(diào)用cpufreq core的接口cpufreq_driver->target_index進(jìn)行設(shè)置
5. driver會繼續(xù)調(diào)用opp驅(qū)動clk_set_rate(clk, freq)接口進(jìn)行寄存器設(shè)置，讓電壓頻率生效 另外：動態(tài)策略的governor會自動收集系統(tǒng)中的各種信號進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)

DVFS調(diào)節(jié)策略 一味的降頻降壓當(dāng)然是不能降低功耗的，因?yàn)榈皖l下運(yùn)行可能使系統(tǒng)處理任務(wù)的時(shí)長增加，從而整體上可能增加了功耗。所以DVFS的核心是動態(tài)調(diào)整的策略，其目的是根據(jù)當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整，從而提供滿足當(dāng)時(shí)性能要求的最低功率，也就達(dá)到了最低功耗。

需要統(tǒng)計(jì)出這些模塊的負(fù)載情況，基本的策略當(dāng)然是工作負(fù)載增加則升頻升壓，工作負(fù)載降低則降頻降壓。工作負(fù)載的粗略模型是在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)，統(tǒng)計(jì)模塊工作的時(shí)間長度，設(shè)定不同閾值，高閾值對應(yīng)高電壓高頻率，低閾值對應(yīng)低電壓低頻率。每次統(tǒng)計(jì)值穿過閾值邊界，觸發(fā)DVFS轉(zhuǎn)換。

> 在調(diào)整頻率和電壓時(shí)，要特別注意調(diào)整的順序： > - 當(dāng)頻率由高到低調(diào)整時(shí)，應(yīng)該先降頻率，再降電壓； > - 相反，當(dāng)升高頻率時(shí)，應(yīng)該先升電壓，再升頻率。

2. 相關(guān)代碼介紹

2.1 整體代碼框架

內(nèi)核目前有一套完整的代碼支持DVFS，具體可參考內(nèi)核下drivers/cpufreq/。

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

• 向上，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。
• 內(nèi)部，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(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行。包括:圍繞結(jié)構(gòu)struct cpufreq_governor提供governor框架，用于實(shí)現(xiàn)不同的頻率調(diào)整機(jī)制；圍繞struct cpufreq_policy實(shí)現(xiàn)的一些功能等。
• 向下：提供CPU頻率和電壓控制的驅(qū)動框架，封裝通用操作接口給驅(qū)動，方便底層驅(qū)動的開發(fā)；

2. cpufreq governor：負(fù)責(zé)調(diào)頻調(diào)壓的各種策略，每種governor計(jì)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(jì)算合適的頻率。

3. cpufreq driver：負(fù)責(zé)平臺相關(guān)的調(diào)頻調(diào)壓機(jī)制的實(shí)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。kernel中實(shí)現(xiàn)了比較通用的驅(qū)動模塊cpufreq-dt.c

4. cpufreq stats：負(fù)責(zé)調(diào)頻信息和各頻點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間等統(tǒng)計(jì)，提供每個(gè)cpu的cpufreq有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息。

2.2 用戶態(tài)接口

cpufreq相關(guān)驅(qū)動模塊加載后，會在各cpu下創(chuàng)建：/sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq接口

這是一個(gè)軟鏈接：cpufreq -> ../cpufreq/policy0

前綴是scaling的屬性文件表示軟件可調(diào)節(jié)的幾種屬性，前綴是cpuinfo的屬性文件表示硬件支持的幾種屬性。cpuinfo是scaling的子集，因?yàn)檐浖O(shè)置范圍在硬件支持范圍內(nèi)。 scaling_governor 可以手動修改設(shè)置：

echo ondemand > /sys/devices/system/cpu/cpu0/scaling_governor

一般系統(tǒng)啟動默認(rèn)為performance，支持5種模式，可以通過make menuconfig配置。

目前DVFS支持調(diào)頻調(diào)壓策略主要就是上面支持的5種：

1. userspace（用戶定義的） 使用用戶在/sys 節(jié)點(diǎn)scaling_setspeed設(shè)置的頻率運(yùn)行。 最早的 cpufreq 子系統(tǒng)通過 userspace governor 為用戶提供了這種靈活性。系統(tǒng)將變頻策略的決策權(quán)交給了用戶態(tài)應(yīng)用程序，并提供了相應(yīng)的接口供用戶態(tài)應(yīng)用程序調(diào)節(jié) CPU 運(yùn)行頻率使用。 （可以使用Dominik 等人開發(fā)了cpufrequtils 工具包 ）
2. performancecpu（突出性能） 按照支持的最高頻率運(yùn)行
3. ondemand（按需的） 系統(tǒng)負(fù)載小時(shí)以低頻率運(yùn)行，系統(tǒng)負(fù)載提高時(shí)按需提高頻率 userspace是內(nèi)核態(tài)的檢測，效率低。而ondemand正是人們長期以來希望看到的一個(gè)完全在內(nèi)核態(tài)下工作并且能夠以更加細(xì)粒度的時(shí)間間隔對系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行采樣分析的governor。
4. conservative（保守的） 跟ondemand方式類似， 不同之處在于提高頻率時(shí)漸進(jìn)提高，而ondemand是跳變提高，ondemand比conservative先進(jìn)，是conservative的改良版本。 ondemand governor 的最初實(shí)現(xiàn)是在可選的頻率范圍內(nèi)調(diào)低至下一個(gè)可用頻率。這種降頻策略的主導(dǎo)思想是盡量減小對系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，從而不會使得系統(tǒng)性能在短時(shí)間內(nèi)迅速降低以影響用戶體驗(yàn)。但是在 ondemand governor 的這種最初實(shí)現(xiàn)版本在社區(qū)發(fā)布后，大量用戶的使用結(jié)果表明這種擔(dān)心實(shí)際上是多余的， ondemand governor在降頻時(shí)對于目標(biāo)頻率的選擇完全可以更加激進(jìn)。因此最新的 ondemand governor 在降頻時(shí)會在所有可選頻率中一次性選擇出可以保證 CPU 工作在 80% 以上負(fù)荷的頻率，當(dāng)然如果沒有任何一個(gè)可選頻率滿足要求的話則會選擇 CPU 支持的最低運(yùn)行頻率。大量用戶的測試結(jié)果表明這種新的算法可以在不影響系統(tǒng)性能的前提下做到更高效的節(jié)能。在算法改進(jìn)后， ondemand governor 的名字并沒有改變，而 ondemand governor 最初的實(shí)現(xiàn)也保存了下來，并且由于其算法的保守性而得名conservative 。 Ondemand降頻更加激進(jìn)，conservative降頻比較緩慢保守，事實(shí)使用ondemand的效果也是比較好的。
5. powersavecpu（省電的） 以支持的最低頻率運(yùn)行 CPU會固定工作在其支持的最低運(yùn)行頻率上。因此其和performance這兩種 governors 都屬于靜態(tài) governor ，即在使用它們時(shí) CPU 的運(yùn)行頻率不會根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)負(fù)載的變化動態(tài)作出調(diào)整。這兩種 governors 對應(yīng)的是兩種極端的應(yīng)用場景，使用 performance governor 體現(xiàn)的是對系統(tǒng)高性能的最大追求，而使用 powersave governor 則是對系統(tǒng)低功耗的最大追求。
6. 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(shí)候，會調(diào)用該hook，此時(shí)就可以進(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)行調(diào)頻。

功耗：performance > ondemand > conservative >powersave

2.3 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3.1 驅(qū)動相關(guān)cpufreq_driver

在include/linux/cpufreq.h中，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)。如下默認(rèn)值：

static struct cpufreq_driver dt_cpufreq_driver = {
        .flags = CPUFREQ_STICKY | CPUFREQ_NEED_INITIAL_FREQ_CHECK,
        .verify = cpufreq_generic_frequency_table_verify,
        .target_index = set_target,
        .get = cpufreq_generic_get,
        .init = cpufreq_init,
        .exit = cpufreq_exit,
        .ready = cpufreq_ready,
        .name = "cpufreq-dt",
        .attr = cpufreq_dt_attr,
        .suspend = cpufreq_generic_suspend,
};

• name，該driver的名字，需要唯一，因?yàn)閏pufreq framework允許同時(shí)注冊多個(gè)driver，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇使用哪個(gè)driver。driver的標(biāo)識，就是name。
• flags，一些flag，具體會在后續(xù)的文章中介紹。 init，driver的入口，由cpufreq core在設(shè)備枚舉的時(shí)候調(diào)用，driver需要根據(jù)硬件情況，填充policy的內(nèi)容。
• verify，驗(yàn)證policy中的內(nèi)容是否符合硬件要求。它和init接口都是必須實(shí)現(xiàn)的接口。
• setpolicy，driver需要提供這個(gè)接口，用于設(shè)置CPU core動態(tài)頻率調(diào)整的范圍（即policy）。
• target、target_index，driver需要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)接口中的一個(gè)（target為舊接口，不推薦使用），用于設(shè)置CPU core為指定頻率（同時(shí)修改為對應(yīng)的電壓）。target_index（）接口底層真正用于設(shè)置cpu為指定頻率的接口（同時(shí)修改為對應(yīng)的電壓）

有關(guān)struct cpufreq_driver的API包括：

   1: int cpufreq_register_driver(struct cpufreq_driver *driver_data);
   2: int cpufreq_unregister_driver(struct cpufreq_driver *driver_data);
   3:  
   4: const char *cpufreq_get_current_driver(void);
   5: void *cpufreq_get_driver_data(void);

分別為driver的注冊、注銷。獲取當(dāng)前所使用的driver名稱，以及該driver的私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（driver_data字段）。

2.3.2 策略相關(guān)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(gè)policy都會對應(yīng)某個(gè)具體的governor。

min/max frequency，調(diào)頻范圍，對于可以自動調(diào)頻的CPU而言，只需要這兩個(gè)參數(shù)就夠了。 current frequency和governor，對于不能自動調(diào)頻的CPU，需要governor設(shè)置具體的頻率值。下面介紹一下governor。 struct cpufreq_policy不會直接對外提供API。

2.3.3 管理策略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。如下一個(gè)governor的默認(rèn)值：

static struct cpufreq_governor cpufreq_gov_userspace = {
        .name                 = "userspace",
        .init                 = cpufreq_userspace_policy_init,
        .exit                 = cpufreq_userspace_policy_exit,
        .start                = cpufreq_userspace_policy_start,
        .stop                 = cpufreq_userspace_policy_stop,
        .limits               = cpufreq_userspace_policy_limits,
        .store_setspeed       = cpufreq_set,
        .show_setspeed        = show_speed,
        .owner                = THIS_MODULE,
};

• name，該governor的名稱。
• governor，用于governor狀態(tài)切換的回調(diào)函數(shù)。
• show_setspeed、store_setspeed，用于提供sysfs “setspeed” attribute文件的回調(diào)函數(shù)。
• max_transition_latency，該governor所能容忍的最大頻率切換延遲。
• cpufreq governors主要向具體的governor模塊提供governor的注冊和注銷接口

2.2 初始化流程

2.2.1 governor注冊

cpufreq_register_governor 如果policy中有默認(rèn)的governor，則調(diào)用find_governor，在列表中尋找。cpufreq core定義了一個(gè)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。

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

static int __init cpufreq_gov_userspace_init(void)
{
        return cpufreq_register_governor(&cpufreq_gov_userspace);
}

#ifdef CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_USERSPACE
struct cpufreq_governor *cpufreq_default_governor(void)
{
        return &cpufreq_gov_userspace;
}

fs_initcall(cpufreq_gov_userspace_init);

注冊的gov定義為：

static struct cpufreq_governor cpufreq_gov_userspace = {
        .name                = "userspace",
        .init                = cpufreq_userspace_policy_init,
        .exit                = cpufreq_userspace_policy_exit,
        .start                = cpufreq_userspace_policy_start,
        .stop                = cpufreq_userspace_policy_stop,
        .limits                = cpufreq_userspace_policy_limits,
        .store_setspeed        = cpufreq_set,
        .show_setspeed        = show_speed,
        .owner                = THIS_MODULE,
};

2.2.2 cpufreq驅(qū)動發(fā)現(xiàn)注冊

dt_cpufreq_probe（）在drivers/cpufreq/cpufreq-dt.c中 系統(tǒng)啟動的時(shí)候平臺驅(qū)動dt_cpufreq_platdrv，會執(zhí)行prob函數(shù)dt_cpufreq_probe（）

static struct cpufreq_driver dt_cpufreq_driver = {
        .flags = CPUFREQ_STICKY | CPUFREQ_NEED_INITIAL_FREQ_CHECK,
        .verify = cpufreq_generic_frequency_table_verify,
        .target_index = set_target,
        .get = cpufreq_generic_get,
        .init = cpufreq_init,
        .exit = cpufreq_exit,
        .ready = cpufreq_ready,
        .name = "cpufreq-dt",
        .attr = cpufreq_dt_attr,
        .suspend = cpufreq_generic_suspend,
};

cpufreq_register_driver(&dt_cpufreq_driver)，在drivers/cpufreq/cpufreq.c中 cpufreq_register_driver為cpufreqdriver注冊的入口，驅(qū)動程序通過調(diào)用該函數(shù)進(jìn)行初始化，并傳入相關(guān)的struct cpufreq_driver，cpufreq_register_driver會調(diào)用subsys_interface_register，入?yún)椋?/p>

static struct subsys_interface cpufreq_interface = {
        .name                = "cpufreq",
        .subsys                = &cpu_subsys,
        .add_dev        = cpufreq_add_dev,
        .remove_dev        = cpufreq_remove_dev,
};

最終執(zhí)行回調(diào)函數(shù)cpufreq_add_dev。

2.2.3 CPU subsys注冊

kernel將cpu都抽象成device，并抽象出cpu_subsys bus，所有cpu都掛載在這個(gè)bus下。每個(gè)bus都包含一個(gè)struct subsys_private結(jié)構(gòu)的成員p，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)interface list成員interfaces和設(shè)備鏈表klist_devices。interface list上的一個(gè)interface通常用于抽象bus下的一個(gè)功能。

cpufreq是CPU device的一類特定功能，也就被抽象為一個(gè)subsys interface(kernel使用struct subsys_interface結(jié)構(gòu)表示)即變量cpufreq_interface，, 掛載在interface list下。cpufreq作為一個(gè)功能掛載到cpu subsys下后會對相應(yīng)的所有設(shè)備即cpu執(zhí)行interface.add_dev()操作，表示對subsys_private支持的設(shè)備都添加這個(gè)功能，在添加這個(gè)功能時(shí)為每個(gè)cpu設(shè)備生成具體的policy結(jié)構(gòu)，即struct cpufreq_policy.

上圖涉及cpu初始化，在系統(tǒng)啟動的時(shí)候：

//drivers/base/cpu.c
register_cpu
    cpu->dev.bus = &cpu_subsys;
    device_register
        device_add
            bus_add_device
                error = device_add_groups(dev, bus->dev_groups);//向總線注冊設(shè)備
                klist_add_tail(&dev->p->knode_bus, &bus->p->klist_devices);//向subsys_private

回到cpureq流程中，subsys_interface_register（），在drivers/base/bus.c中

        mutex_lock(&subsys->p->mutex);
        list_add_tail(&sif->node, &subsys->p->interfaces);
        if (sif->add_dev) {
                subsys_dev_iter_init(&iter, subsys, NULL, NULL);
                while ((dev = subsys_dev_iter_next(&iter)))
                        sif->add_dev(dev, sif);
                subsys_dev_iter_exit(&iter);
        }
        mutex_unlock(&subsys->p->mutex);

這里可以看到對于多核，都執(zhí)行了cpufreq_add_dev，會為cpu device創(chuàng)建struct cpufreq_policy結(jié)構(gòu)。 cpufreq_add_dev（），在drivers/cpufreq/cpufreq.c中

static int cpufreq_add_dev(struct device *dev, struct subsys_interface *sif)
{
        struct cpufreq_policy *policy;
        unsigned cpu = dev->id;
        int ret;

        if (cpu_online(cpu)) {
                ret = cpufreq_online(cpu);
                if (ret)
                        return ret;
        }

        /* Create sysfs link on CPU registration */
        policy = per_cpu(cpufreq_cpu_data, cpu);
        if (policy)
                add_cpu_dev_symlink(policy, cpu);

        return 0;
}

3.2.4 CPU上線設(shè)置

cpufreq_online(cpu)在drivers/cpufreq/cpufreq.c中

?cpufreq_policy_alloc（）創(chuàng)建policy節(jié)點(diǎn)/sys/devices/system/cpu/cpufreq/*
?cpufreq_driver->init(policy)指向cpufreq_init（）
?cpufreq_add_dev_interface（）創(chuàng)建sysfs節(jié)點(diǎn)的一些可選屬性
?cpufreq_init_policy（）初始化policy的governor

cpufreq_driver->init對應(yīng)cpufreq_init（）函數(shù) 這個(gè)函數(shù)會解析cpu信息得到cpu_dev、cpu_clk、opp_table等

        cpu_dev = get_cpu_device(policy->cpu);
        cpu_clk = clk_get(cpu_dev, NULL);
        ret = dev_pm_opp_of_get_sharing_cpus(cpu_dev, policy->cpus);//多CPU共享
        opp_table = dev_pm_opp_set_regulators(cpu_dev, &name, 1);
        
        priv->reg_name = name;
        priv->opp_table = opp_table;
        
        priv->cpu_dev = cpu_dev;
        policy->driver_data = priv;
        policy->clk = cpu_clk;
        
        policy->suspend_freq = dev_pm_opp_get_suspend_opp_freq(cpu_dev) / 1000;
        
        ret = cpufreq_table_validate_and_show(policy, freq_table);

cpufreq_table_validate_and_show（）里面找到CPU支持的最大和最小頻率

int cpufreq_frequency_table_cpuinfo(struct cpufreq_policy *policy,
                                    struct cpufreq_frequency_table *table)
{
        struct cpufreq_frequency_table *pos;
        unsigned int min_freq = ~0;
        unsigned int max_freq = 0;
        unsigned int freq;

        cpufreq_for_each_valid_entry(pos, table) {
                freq = pos->frequency;

                if (!cpufreq_boost_enabled()
                    && (pos->flags & CPUFREQ_BOOST_FREQ))
                        continue;

                pr_debug("table entry %u: %u kHz
", (int)(pos - table), freq);
                if (freq < min_freq)
                        min_freq = freq;
                if (freq > max_freq)
                        max_freq = freq;
        }

        policy->min = policy->cpuinfo.min_freq = min_freq;
        policy->max = policy->cpuinfo.max_freq = max_freq;

        if (policy->min == ~0)
                return -EINVAL;
        else
                return 0;
}

設(shè)置policy的時(shí)候，會讀取cpu的頻率表，賦值給policy->min和policy->max。另外各種governor也用到frequency table。

frequency table是CPU core可以正確運(yùn)行的一組頻率/電壓組合，之所以存在的一個(gè)思考點(diǎn)是：table是頻率和電壓之間的一個(gè)一一對應(yīng)的組合，因此cpufreq framework只需要關(guān)心頻率，所有的策略都稱做“調(diào)頻”策略。而cpufreq driver可以在“調(diào)頻”的同時(shí)，通過table取出和頻率對應(yīng)的電壓，進(jìn)行修改CPU core電壓，實(shí)現(xiàn)“調(diào)壓”的功能，這簡化了設(shè)計(jì)。 例如在DTS中：

2.2.5 策略初始化

cpufreq_init_policy（），drivers/cpufreq/cpufreq.c在 使用默認(rèn)策略初始化policy

        /* Update governor of new_policy to the governor used before hotplug */
        gov = find_governor(policy->last_governor);
        if (gov) {
                pr_info("dddd Restoring governor %s for cpu %d
",
                                policy->governor->name, policy->cpu);
        } else {
                gov = cpufreq_default_governor();
                if (!gov)
                        return -ENODATA;
        }

        new_policy.governor = gov;
        
        
        /* set default policy */
        return cpufreq_set_policy(policy, &new_policy);

如果policy中有默認(rèn)的governor，則調(diào)用find_governor，在列表中尋找。cpufreq core定義了一個(gè)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。

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

fs_initcall(cpufreq_gov_performance_init);
static int __init cpufreq_gov_performance_init(void)
{
        return cpufreq_register_governor(&cpufreq_gov_performance);
}

這里我們默認(rèn)使用default

#ifdef CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_PERFORMANCE
struct cpufreq_governor *cpufreq_default_governor(void)
{
        return &cpufreq_gov_performance;
}
#endif
static struct cpufreq_governor cpufreq_gov_performance = {
        .name                = "performance",
        .owner                = THIS_MODULE,
        .limits                = cpufreq_gov_performance_limits,
};

最后調(diào)用cpufreq_set_policy(policy, &new_policy);去設(shè)置policy

2.2.6 governor初始化

cpufreq_set_policy（），在drivers/cpufreq/cpufreq.c中

cpufreq_init_governor->policy->governor->init(policy);

cpufreq_start_governor->policy->governor->start(policy);

在governor初始化和啟動的時(shí)候會發(fā)生：CPUFreq通知 CPUFreq子系統(tǒng)會發(fā)出通知的情況有兩種：CPUFreq的策略變化或者CPU運(yùn)行頻率變化。

在策略變化的過程中，例如cpufreq_set_policy函數(shù)中，會發(fā)送3次通知：

1. CPUFREQ_ADJUST：所有注冊的notifier可以根據(jù)硬件或者溫度的情況去修改范圍（即policy->min和policy->max）；
2. CPUFREQ_INCOMPATIBLE：除非前面的策略設(shè)定可能會導(dǎo)致硬件出錯，否則被注冊的notifier不能改變范圍等設(shè)定；
3. CPUFREQ_NOTIFY：所有注冊的notifier都會被告知新的策略已經(jīng)被設(shè)置。

在頻率變化的過程中，例如__cpufreq_notify_transition函數(shù)中，會發(fā)送2次通知：

1. CPUFREQ_PRECHANGE：準(zhǔn)備進(jìn)行頻率變更；
2. CPUFREQ_POSTCHANGE：已經(jīng)完成頻率變更。

        /* notification of the new policy */
        blocking_notifier_call_chain(&cpufreq_policy_notifier_list,
                        CPUFREQ_NOTIFY, new_policy);
cpufreq_policy_notifier_list

cpufreq_register_notifier（）函數(shù)注冊這個(gè)鏈表

3.2.6 設(shè)置熱插拔計(jì)算機(jī)狀態(tài)的回調(diào)函數(shù)

cpuhp_setup_state_nocalls_cpuslocked（）： 參數(shù)說明：

__cpuhp_setup_state_cpuslocked(
CPUHP_AP_ONLINE_DYN, "cpufreq:online", false, 
cpuhp_cpufreq_online,cpuhp_cpufreq_offline, false);

* __cpuhp_setup_state_cpuuslocked—設(shè)置熱插拔計(jì)算機(jī)狀態(tài)的回調(diào)函數(shù)
* @state:要設(shè)置的狀態(tài)
* @invoke:如果為true，啟動函數(shù)將被調(diào)用于cpu，cpu state >= @state
* @startup:啟動回調(diào)函數(shù)
* @teardown: teardown回調(diào)函數(shù)
* @multi_instance:狀態(tài)是為多個(gè)實(shí)例設(shè)置的，然后添加。

2.3 userspace governor

用戶空間監(jiān)控CPUFreq流程圖

### 2.3.1 用戶接口說明 userspace governor是一種用戶可以自己手動調(diào)整自己cpu頻率的governor，即在linux目錄下：/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/，有一個(gè)參數(shù)scaling_setspeed，是這個(gè)governor轉(zhuǎn)有的，其他governor是不能對其進(jìn)行讀寫操作的，只有這個(gè)governor才能這樣做。

對應(yīng)底層有處理函數(shù)，設(shè)置也有處理函數(shù)。

2.3.2 配置說明

默認(rèn)是Performance的策略，我們可以通過make menuconfig選擇，如下：

保存后在.config中可以看到

CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_USERSPACE=y

在代碼里面搜索這個(gè)宏，drivers/cpufreq/cpufreq_userspace.c中：

#ifdef CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_USERSPACE
struct cpufreq_governor *cpufreq_default_governor(void)
{
        return &cpufreq_gov_userspace;
}

2.3.3 回調(diào)函數(shù)介紹

cpufreq_gov_userspace對應(yīng)

static struct cpufreq_governor cpufreq_gov_userspace = {
        .name                = "userspace",
        .init                = cpufreq_userspace_policy_init,
        .exit                = cpufreq_userspace_policy_exit,
        .start                = cpufreq_userspace_policy_start,
        .stop                = cpufreq_userspace_policy_stop,
        .limits                = cpufreq_userspace_policy_limits,
        .store_setspeed        = cpufreq_set,
        .show_setspeed        = show_speed,
        .owner                = THIS_MODULE,
};

可以看到其中有init函數(shù)和start函數(shù)。 cpufreq_userspace_policy_init 申請一個(gè)governor_data

policy->governor_data = setspeed;
cpufreq_userspace_policy_start 設(shè)置policy的cur頻率

*setspeed = policy->cur;
cpufreq_userspace_policy_limits 就是約束性檢查，如果超過max或者小于min進(jìn)行重新設(shè)定

show_setspeed   就是讀scaling_setspeed-當(dāng)前cpu頻率
store_setspeed   就是寫scaling_setspeed，可以用戶控制。改變cpu頻率的時(shí)候會調(diào)用如下函數(shù)：

ret = __cpufreq_driver_target(policy, freq, CPUFREQ_RELATION_L);

2.3.4 調(diào)頻調(diào)壓流程

例如輸入命令：

echo 700000 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_setspeed

__cpufreq_driver_target->__target_index->cpufreq_driver->target_index

static int set_target(struct cpufreq_policy *policy, unsigned int index)
{
        struct private_data *priv = policy->driver_data;

        return dev_pm_opp_set_rate(priv->cpu_dev,
                                   policy->freq_table[index].frequency * 1000);
}

dev_pm_opp_set_rate（）函數(shù)在drivers/base/power/opp/core.c中定義 找到opp_table進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓，opp_table的名字是/cpus/cpu0_opp_table

        opp_table = _find_opp_table(dev);
        
        clk = opp_table->clk;
        freq = clk_round_rate(clk, target_freq);
        if ((long)freq <= 0)
                freq = target_freq;

        old_freq = clk_get_rate(clk);
        
  ret = _generic_set_opp_clk_only(dev, clk, old_freq, freq);

clk_set_rate(clk, freq);在drivers/clk/clk.c中定義

        ret = clk_core_set_rate_nolock(clk->core, rate);

clk的名字是，rate是要設(shè)置的頻率

        /* change the rates */
        clk_change_rate(top);

top的名字為cpu_core0_mux_clk，節(jié)點(diǎn)父子關(guān)系為：

armpll1_912m_cpu_clk->cpu_core0_mux_clk->cpu_core0_div_clk->cpu_core0_clk
首先設(shè)置armpll1_912m_cpu_clk
clk_change_rate（）
core->ops->set_parent(core->hw, core->new_parent_index);
set_parent對應(yīng)clk_mux_set_parent（）函數(shù)在drivers/clk/clk-mux.c中

static int clk_mux_set_parent(struct clk_hw *hw, u8 index) { struct clk_mux *mux = to_clk_mux(hw);

    val = clk_readl(mux->reg);
    val &= ~(mux->mask << mux->shift);

    val |= index << mux->shift;
    clk_writel(val, mux->reg);

mux->reg值是0x42000020，index是4，clk_readl出來是默認(rèn)值5，需要寫入為4
 

cpu_core0_div_clk進(jìn)行了頻率設(shè)置
clk_change_rate
core->ops->set_rate(core->hw, core->new_rate, best_parent_rate);

const struct clk_ops clk_divider_ops = { .recalc_rate = clk_divider_recalc_rate, .round_rate = clk_divider_round_rate, .set_rate = clk_divider_set_rate, };

clk_divider_set_rate

static int clk_divider_set_rate(struct clk_hw *hw, unsigned long rate, unsigned long parent_rate) { value = divider_get_val(rate, parent_rate, divider->table, divider->width, divider->flags);

    if (divider->flags & CLK_DIVIDER_HIWORD_MASK) {
            val = div_mask(divider->width) << (divider->shift + 16);
    } else {
            val = clk_readl(divider->reg);
            val &= ~(div_mask(divider->width) << divider->shift);
    }

    val |= (u32)value << divider->shift;
    clk_writel(val, divider->reg);

其中divider->reg為0x42000020,value=0 divider->shift的值為8 clk_readl(divider->reg);讀出來值為4已經(jīng)是要設(shè)置的值了。

2.4 其他governor

2.4.1 ondemand governor

ondemand governor，最終是通過調(diào)頻接口od_dbs_update實(shí)現(xiàn)計(jì)算負(fù)載進(jìn)行調(diào)頻的。

//drivers/cpufreq/cpufreq_ondemand.c
od_dbs_update
        od_update

static void od_update(struct cpufreq_policy *policy)
{
        unsigned int load = dbs_update(policy);//負(fù)載(百分比)(1)
        
        /* Check for frequency increase */
        if (load > dbs_data->up_threshold) {//（2）如果負(fù)載大于策略設(shè)置的閾值，則直接切換到最大頻率
                /* If switching to max speed, apply sampling_down_factor */
                if (policy->cur < policy->max)
                        policy_dbs->rate_mult = dbs_data->sampling_down_factor;
                dbs_freq_increase(policy, policy->max);
        } else {
                /* Calculate the next frequency proportional to load */
                unsigned int freq_next, min_f, max_f;

                min_f = policy->cpuinfo.min_freq;
                max_f = policy->cpuinfo.max_freq;
                freq_next = min_f + load * (max_f - min_f) / 100;
                                //（3）按照負(fù)載百分比，在頻率范圍內(nèi)選擇合適頻率

                /* No longer fully busy, reset rate_mult */
                policy_dbs->rate_mult = 1;

                if (od_tuners->powersave_bias)//(4)
                        freq_next = od_ops.powersave_bias_target(policy,
                                                                 freq_next,
                                                                 CPUFREQ_RELATION_L);

                __cpufreq_driver_target(policy, freq_next, CPUFREQ_RELATION_C);//設(shè)置頻率
        }

(1)計(jì)算負(fù)載函數(shù)： od_dbs_update（）核心方法是: 當(dāng)前負(fù)載load = 100 * (time_elapsed - idle_time) / time_elapsed idle_time = 本次idle時(shí)間 - 上次idle時(shí)間 time_elapsed = 本次總運(yùn)行時(shí)間 - 上次總運(yùn)行時(shí)間 該函數(shù)返回使用此policy的各個(gè)cpu中的最大負(fù)載。

（2）當(dāng)最大負(fù)載大于策略設(shè)置的最大閾值時(shí)，調(diào)用dbs_freq_increase（）將頻率設(shè)置在最大頻率。

（3）按照負(fù)載百分比設(shè)置合適頻率 freq_next = min_f + load * (max_f - min_f) / 100;

(4) 表明我們?yōu)榱诉M(jìn)一步節(jié)省電力，我們希望在計(jì)算出來的新頻率的基礎(chǔ)上，再乘以一個(gè)powersave_bias設(shè)定的百分比，作為真正的運(yùn)行頻率，powersave_bias的值從0-1000，每一步代表0.1%

2.4.2 schedutil governor

不同的governor的觸發(fā)調(diào)頻調(diào)壓流程不一樣，這里以schedutil governor為例。 CFS負(fù)載變化的時(shí)候或者RT、DL任務(wù)狀態(tài)更新的時(shí)候，就會啟動調(diào)頻。這幾個(gè)scheduler類會調(diào)用cpufreq_update_util函數(shù)（前面注冊進(jìn)來的hook函數(shù)）觸發(fā)schedutil工作。每個(gè)cpu最終會回調(diào)到sugov_upate_shared或者sugov_upate_single函數(shù)中的一個(gè)。 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(shí)，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(shí)間或者調(diào)度開銷。

2.4.3 Interactive governor

Interactive 與Conservative相對，快速提升頻率，緩慢降低頻率

• 優(yōu)點(diǎn): 比Ondemand稍強(qiáng)的性能，較快的響應(yīng)速度
• 缺點(diǎn): 在不需要時(shí)仍然維持較高的頻率，比Ondemand耗電 Interactive X 基于Interactive改進(jìn)，區(qū)分開關(guān)屏狀態(tài)情景
• 優(yōu)點(diǎn)：比Interactive省電
• 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性不如Interactive 代碼位置：drivers/cpufreq/cpufreq_interactive.c 首先需要定義一個(gè)cpufreq_governor類型的結(jié)構(gòu)體用來描述interactive governor.

static struct interactive_governor interactive_gov = {
        .gov = {
                .name                        = "interactive",
                .max_transition_latency        = TRANSITION_LATENCY_LIMIT,
                .owner                        = THIS_MODULE,
                .init                        = cpufreq_interactive_init,
                .exit                        = cpufreq_interactive_exit,
                .start                        = cpufreq_interactive_start,
                .stop                        = cpufreq_interactive_stop,
                .limits                        = cpufreq_interactive_limits,
        }
};

后記

本節(jié)代碼有點(diǎn)多，不是調(diào)試這個(gè)可以不用關(guān)注代碼，想深入學(xué)習(xí)還是需要運(yùn)行起來代碼打點(diǎn)log比較好。