作者簡介：大Q在某半導體公司任職，主要從事硬件、芯片、驅動、軟件，整體方案及架構的功耗設計。喜歡研究linux，liteos等系統的功耗設計思路，以及業界如何結合實際場景進行軟硬件方案設計。

DVFS全稱Dynamic Voltage and Frequency Scaling，本章主要講解CPU的DVFS。

Linux 的CPU調頻調壓由cpufreq完成，cpufreq需要拆成兩個詞看cpu-freq，通過字面意思可知，cpufreq和CPU及頻率有關。隨著半導體工藝的演進，芯片性能越來越強，軟件迭代對CPU性能的需求也越來越大，CPU頻率也越來越高。如果一直讓CPU運行在最高頻率下，功耗、發熱等問題也會隨之而來，本章我們講解CPU調頻調壓的設計與實現。

13.1 Linux cpufreq的設計與實現

本節，我們主要聚焦對Linux 內核cpufreq的實現機制進行分析，包括配置、主要結構體、主要函數、工作時序等。

13.1.1 架構設計概覽

DVFS在低功耗軟件棧中的位置如圖13-1所示，屬于非睡眠形式的動態功耗控制方式。

圖13-1 DVFS在低功耗軟件棧中的位置

13.1.2 模塊功能詳解

Linux的cpufreq框架用一句話概括就是基于軟硬件約束通過一定的策略完成CPU頻率的調整。這里軟硬件配置如頻率范圍、CPU個數等由cpufreq驅動初始化時通過相應流程配置，主要由policy模塊承載，同時，policy模塊也管理governor和driver的聯系等事項。策略主要指governor模塊即基于什么調頻，kernel默認的governor有performance、powersave、conservative、ondemand、userspace以及目前默認應用的schedutil，最后完成CPU頻率配置的模塊就是driver了，頻率配置可以調用CLK模塊接口完成，也可自行根據芯片配置流程完成，如果clk實現較好，建議通過CLK模塊完成。

調頻調壓均支持的CPU（其他模塊有同樣約束）一般有如下配置約束：升頻時，如果需要升壓，需要先完成電壓配置（記起regulator模塊沒）并等待電壓穩定后再進行頻率配置，降壓時，需要先降低頻率，然后再配置降壓。這是由硬件決定的，先頻率高于額定電壓時，相當于CPU在超頻運行，不一定會出問題，出問題也是千奇八怪，難以定位，還是按照芯片約束來吧。

另外，cpufreq框架還支持notify機制，在頻率發生變化前后調用通知，對于需要感知CPU頻率變化的模塊，收到通知事件時，可以進行對應配置。

13.1.3 配置信息解析

Linux cpufreq依賴如下特性宏：

CONFIG_CPU_FREQ=y

CONFIG_CPU_FREQ_GOV_ATTR_SET=y

CONFIG_CPU_FREQ_GOV_COMMON=y

CONFIG_CPU_FREQ_STAT=y

CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_PERFORMANCE=y

CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_POWERSAVE=y

CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_USERSPACE=y

CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_ONDEMAND=y

CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_CONSERVATIVE=y

CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_SCHEDUTIL=y

CONFIG_CPUFREQ_DT=y

CONFIG_CPUFREQ_DT_PLATDEV=y

cpufreq的實現主要在如下文件中：drivers/cpufreq/cpufreq.c、cpufreq-dt.c、cpufreq-dt-platdev.c、cpufreq_governor.c、cpufreq_ondemand.c、cpufreq_stats.c、freq_table.c、cpufreq_governor_attr_set.c等

13.1.4 主要數據類型

Linux cpufreq和內核絕大多數框架一樣，提供了通用機制，便于驅動開發人員專注驅動開發，但我們主要了解其核心思路，便于在非Linux系統中實現并應用自己的CPU調頻模塊。

1)cpufreq框架的core主要完成sysfs接口封裝、driver/governor/policy邏輯串聯及driver驅動接口封裝。

2)governor模塊主要封裝governor統一接口，提供governor注冊。

3)policy模塊，具體也不能說是個模塊，但cpufreq driver與governor的關聯、管理都離不開policy模塊，閱讀源碼時會感覺policy有點混亂哪里都有它的身影，又有點語焉不詳，其實不妨礙實現自己的cpufreq。

4)driver主要功能就是完成最終的頻率調整（電壓調整，如果支持的話）。

其他模塊這就不細述了，下面我們結合源碼了解各模塊功能及cpufreq是如何工作的。

1 cpufreq_policy結構體

struct cpufreq_policy 是cpufreq core提供的非常重要的結構體，下面講解主要成員含義：

cpus及related_cpus表示當前policy管理的cpu，cpus是當前處于online狀態的，related_cpus表示所有的的包含online/offline的。

CPU表示當前管理policy的cpu id，若多個CPU共用一個policy，只需要一個CPU進行管理即可，在該CPU下線時，還需要更新管理CPU。

clk 表示當前policy使用的clk句柄。

cpuinfo表示CPU設計的最大最小頻率。

min/max/cur表示當前policy支持的最大最小及當前頻率。

Governor/governor_data表示當前policy使用的governor及其私有數據。

freq_table當前CPU支持的頻率表。

driver_data表示driver的私有數據。

結構體定義如下：

struct cpufreq_policy {

cpumask_var_t cpus; /* 只有Online的?CPUs才使用*/

cpumask_var_t related_cpus; /* Online + Offline CPUs */

unsigned int cpu; ???/* 使用這個策略的cpu，必須是online的*/

struct clk *clk;

struct cpufreq_cpuinfo cpuinfo;/* see above */

unsigned int min; ???/* in kHz */

unsigned int max; ???/* in kHz */

unsigned int cur; ???/* in kHz, 只有在cpufreq governors 被使用時踩需要?*/

unsigned int policy; /* see above */

struct cpufreq_governor *governor; /* see below */

void *governor_data;

struct cpufreq_frequency_table *freq_table;

void *driver_data;

};

通過對policy結構體主要成員的介紹，我們知道policy主要用于配置CPU的調頻約束以及governor的管理。

2 governor相關數據結構

governor鏈表，用于存放所有注冊的governor節點。

static LIST_HEAD(cpufreq_governor_list);

接下來介紹下governor的主要結構體struct cpufreq_governor ，主要給出governor唯一名字及API回調。

#define CPUFREQ_DBS_GOVERNOR_INITIALIZER(_name_)

{

.name = _name_,

.flags = CPUFREQ_GOV_DYNAMIC_SWITCHING,

.owner = THIS_MODULE,

.init = cpufreq_dbs_governor_init,

.exit = cpufreq_dbs_governor_exit,

.start = cpufreq_dbs_governor_start,

.stop = cpufreq_dbs_governor_stop,

.limits = cpufreq_dbs_governor_limits,

}

struct cpufreq_governor {

char name[CPUFREQ_NAME_LEN];

int (*init)(struct cpufreq_policy *policy);

void (*exit)(struct cpufreq_policy *policy);

int (*start)(struct cpufreq_policy *policy);

void (*stop)(struct cpufreq_policy *policy);

void (*limits)(struct cpufreq_policy *policy);

ssize_t (*show_setspeed) (struct cpufreq_policy *policy,

char *buf);

int (*store_setspeed) (struct cpufreq_policy *policy,

unsigned int freq);

struct list_head governor_list;

struct module *owner;

u8 flags;

};

/* Governor flags */

/* For governors which change frequency dynamically by themselves */

#define CPUFREQ_GOV_DYNAMIC_SWITCHING ?BIT(0)

/* For governors wanting the target frequency to be set exactly */

#define CPUFREQ_GOV_STRICT_TARGET BIT(1)

governor模塊提供了一個統一初始化宏用于對其變量進行初始化，如宏CPUFREQ_DBS_GOVERNOR_INITIALIZE的定義實現，實際使用的結構體為struct cpufreq_governor，governor模塊是為了屏蔽各種governor和cpufreq關聯而實現的。結構體相關成員變量含義如下所示：

name：當前初始化governor的名字，如“ondemand”、“conservative”等。

init/exit等：governor初始化、注銷或切換時cpufreq core調用的流程。

governor_list：各種governor注冊時掛接鏈表，現在已不怎么使用了。

flags：當前governor策略，見上述注釋。

governor模塊還有一個核心結構體struct dbs_governor，其定義如下：

struct dbs_governor {

struct cpufreq_governor gov;

struct kobj_type kobj_type;

struct dbs_data *gdbs_data;

unsigned int (*gov_dbs_update)(struct cpufreq_policy *policy);

struct policy_dbs_info *(*alloc)(void);

void (*free)(struct policy_dbs_info *policy_dbs);

int (*init)(struct dbs_data *dbs_data);

void (*exit)(struct dbs_data *dbs_data);

void (*start)(struct cpufreq_policy *policy);

};

gov：上文中CPUFREQ_DBS_GOVERNOR_INITIALIZER部分。

gdbs_data：當前governor調頻約束，如負載閾值，采樣周期配置等。

gov_dbs_update：governor更新負載及觸發頻率配置的回調，governor的精髓在這里，后續講解。

3 driver相關數據結構

cpufreq_driver類型的變量定義：

static struct cpufreq_driver *cpufreq_driver;

core提供的driver結構體，用于core對默認driver的關聯及管理。

struct cpufreq_driver {

char name[CPUFREQ_NAME_LEN];

u16 flags;

void *driver_data;

/*所有的驅動都會使用?*/

int (*init)(struct cpufreq_policy *policy);

int (*verify)(struct cpufreq_policy_data *policy);

int (*setpolicy)(struct cpufreq_policy *policy);

int (*target)(struct cpufreq_policy *policy,

??unsigned int target_freq,

??unsigned int relation); /* Deprecated */

int (*target_index)(struct cpufreq_policy *policy,

unsigned int index);

unsigned int (*fast_switch)(struct cpufreq_policy *policy,

unsigned int target_freq);

/*緩存并返回驅動程序支持的最低頻率大于或等于目標頻率。并不設置頻率，只有target()才會設置頻率。*/

unsigned int (*resolve_freq)(struct cpufreq_policy *policy,

unsigned int target_freq);

/*僅適用于未設置target_index()和CPUFREQ_ASYNC_NOTIFICATION的驅動程序。Get_intermediate應該返回一個穩定的中間頻率在跳轉到對應'index'的頻率之前，target_intermediate()應該將CPU設置為該頻率。core將負責發送通知，而驅動程序不必在target_intermediate()或者 target_index()中處理它們。驅動程序可以從get_intermediate()返回'0'，以防他們不希望切換到某個目標頻率的中間頻率。在這種情況下，core將直接調用->target_index()。?*/

unsigned int (*get_intermediate)(struct cpufreq_policy *policy,

unsigned int index);

int (*target_intermediate)(struct cpufreq_policy *policy,

unsigned int index);

unsigned int (*get)(unsigned int cpu);

/* 更新策略限值（policy limits）.?*/

void (*update_limits)(unsigned int cpu);

int (*bios_limit)(int cpu, unsigned int *limit);

int (*online)(struct cpufreq_policy *policy);

int (*offline)(struct cpufreq_policy *policy);

int (*exit)(struct cpufreq_policy *policy);

void (*stop_cpu)(struct cpufreq_policy *policy);

int (*suspend)(struct cpufreq_policy *policy);

int (*resume)(struct cpufreq_policy *policy);

void (*ready)(struct cpufreq_policy *policy);

struct freq_attr **attr;

bool boost_enabled;

int (*set_boost)(struct cpufreq_policy *policy, int state);

};

主要成員屬性見加粗部分。

name：驅動唯一名字。

flags：用于cpufreq部分功能控制，詳見cpufreq.h，注釋較清晰。

Init：driver注冊時，由core調用的初始化接口，一般主要用于頻率表的創建及policy的填充。

verify：主要對policy內配置及CPU頻率約束進行驗證，保證policy在CPU硬件約束范圍之內。

target/target_index：driver實現最終調頻的接口，內部可以自行實現或調用CLK接口。

suspend/resume：系統DPM時回調接口。

編輯：黃飛