Linux2.6內(nèi)核中最新電源管理技術(shù)分析及未來(lái)發(fā)展

們時(shí) CPU 的運(yùn)行頻率不會(huì)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)作出調(diào)整。這兩種 governors 對(duì)應(yīng)的是兩種極端的應(yīng)用場(chǎng)景，使用 performance governor 體現(xiàn)的是對(duì)系統(tǒng)高性能的最大追求，而使用 powersave governor 則是對(duì)系統(tǒng)低功耗的最大追求。雖然這兩種應(yīng)用需求確實(shí)存在，但大多數(shù)用戶在大部分時(shí)間里需要的是更加靈活的變頻策略。最早的 cpufreq 子系統(tǒng)通過(guò) userspace governor 為用戶提供了這種靈活性。正如它的名字一樣，使用 userspace governor 時(shí)，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。通過(guò)使用 cpufrequtils 工具包中的 cpufreq-set 將 userspace 設(shè)置為 cpufreq 子系統(tǒng)所使用的 governor 后，我們可以看到與之前相比在 /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/ 目錄下多出了一個(gè)名為 scaling_setspeed 的文件，這正是 userspace governor 所提供的特殊用戶接口。用戶可以通過(guò)向該文件寫入任何一個(gè) scaling_available_frequencies 中所支持的運(yùn)行頻率，從而將 CPU 設(shè)置在該頻率下運(yùn)行。

　　# cpufreq-set -g userspace

　　# cat cpuinfo_cur_freq

　　1000000

　　# cat scaling_available_frequencies

　　1667000 1333000 1000000

　　# echo 1333000 》scaling_setspeed

　　# cat cpuinfo_cur_freq

　　1333000

　　剛剛提到在使用 userspace governor 時(shí)，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。該用戶態(tài)應(yīng)用程序一般是一個(gè) daemon 程序，每隔一定的時(shí)間間隔收集一次系統(tǒng)信息并根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情況使用 userspace governor 提供的 scaling_setspeed 接口動(dòng)態(tài)調(diào)整 CPU 的運(yùn)行頻率。作為這個(gè)daemon 程序，當(dāng)時(shí)在幾個(gè)主要的 Linux 發(fā)行版中使用的一般是 powersaved 或者 cpuspeed。這兩個(gè) daemon 程序一般每隔幾秒鐘統(tǒng)計(jì)一次 CPU 在這個(gè)采樣周期內(nèi)的負(fù)載情況，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果調(diào)整 CPU 的運(yùn)行頻率。這種 userspace governor 加用戶態(tài) daemon 程序的變頻方法雖然為用戶提供了一定的靈活性，但通過(guò)開源社區(qū)的廣泛使用所得到的意見(jiàn)反饋逐漸暴露了這種方法的兩個(gè)嚴(yán)重缺陷。第一個(gè)是性能方面的問(wèn)題。例如powersaved 每隔五秒鐘進(jìn)行一次系統(tǒng)負(fù)載情況的采樣分析的話，我們可以分析一下在下面給出的應(yīng)用場(chǎng)景中的用戶體驗(yàn)。假設(shè) powersaved 的采樣分析剛剛結(jié)束，而且由于在剛剛結(jié)束的采樣周期內(nèi)系統(tǒng)負(fù)載很低，CPU 被設(shè)置在最低頻率上運(yùn)行。這時(shí)用戶如果打開 Firefox? 等對(duì) CPU 運(yùn)算能力要求相當(dāng)高的程序的話，powersaved 要在下一個(gè)采樣點(diǎn)——大約五秒鐘之后才有機(jī)會(huì)觀察到這種提高 CPU 運(yùn)行頻率的需求。也就是說(shuō)，在Firefox 啟動(dòng)之初的五秒鐘內(nèi) CPU 的計(jì)算能力并沒(méi)有被充分發(fā)揮出來(lái)，這無(wú)疑會(huì)使用戶體驗(yàn)大打折扣。第二個(gè)是系統(tǒng)負(fù)載情況的采樣分析的準(zhǔn)確性問(wèn)題。將監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載情況并對(duì)未來(lái) CPU 的性能需求做出判斷的任務(wù)交給一個(gè)用戶態(tài)程序完成實(shí)際上并不合理，一方面是由于一個(gè)用戶態(tài)程序很難完整的收集到所有需要的信息，因?yàn)檫@些信息大部分都保存在內(nèi)核空間；另一方面一個(gè)用戶態(tài)程序如果想要收集這些系統(tǒng)信息，必然需要進(jìn)行用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的數(shù)據(jù)交互，而頻繁的用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的數(shù)據(jù)交互又會(huì)給系統(tǒng)性能帶來(lái)負(fù)面影響。

　　那么這兩個(gè)問(wèn)題有沒(méi)有解決的方法呢？應(yīng)該講社區(qū)中的開發(fā)人員就第二個(gè)問(wèn)題比較容易達(dá)成一致，既然在用戶態(tài)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載情況進(jìn)行采集和分析存在這樣那樣的問(wèn)題，那么更加合理的做法就是應(yīng)該將這部分工作交由內(nèi)核負(fù)責(zé)。但是第一個(gè)問(wèn)題呢？第一個(gè)問(wèn)題最直觀的解決方案就是降低對(duì)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行采樣分析的時(shí)間間隔，這樣 powersaved 就能盡早的對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的變化做出及時(shí)的響應(yīng)。然而這種簡(jiǎn)單的降低采樣分析的時(shí)間間隔的方案同樣存在著兩方面的問(wèn)題，一方面這意味著更加頻繁的用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的數(shù)據(jù)交互，因此必然也就意味著對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)更大的負(fù)面影響；另一方面的主要原因在于當(dāng)時(shí)各個(gè) CPU 生產(chǎn)廠家的變頻技術(shù)在硬件上仍不完善，具體體現(xiàn)就是在對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置時(shí)所需的操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，例如 Intel 早期的 Speedstep 技術(shù)在對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置時(shí)需要耗時(shí) 250 微秒，在此過(guò)程中 CPU 無(wú)法正常執(zhí)行指令。讀者如果簡(jiǎn)單的計(jì)算一下不難發(fā)現(xiàn)，即使對(duì)于一個(gè)主頻為 1GHz 的 CPU 而言， 250 微秒也意味著 250，000 個(gè)時(shí)鐘周期，在這期間 CPU 完全可以執(zhí)行完上萬(wàn)條指令。因此從這個(gè)角度而言，簡(jiǎn)單的降低采樣分析的時(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)的負(fù)面影響更加嚴(yán)重。幸運(yùn)的是隨著硬件技術(shù)的不斷完善和改進(jìn)，對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置所需的操作時(shí)間已經(jīng)顯著降低，例如 Intel 最新的 Enhanced Speedstep 技術(shù)在對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置時(shí)耗時(shí)已降至 10 微秒，下降了不止一個(gè)數(shù)量級(jí)。正是這種 CPU 硬件技術(shù)的發(fā)展為內(nèi)核開發(fā)人員解決這些早期的遺留問(wèn)題提供了契機(jī)，Venkatesh 等人提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的名為 ondemand 的 governor ，它正是人們長(zhǎng)期以來(lái)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(duì)系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行采樣分析的 governor。在介紹 ondemand governor 的具體實(shí)現(xiàn)之前，我們先來(lái)看一下如何使用 ondemand governor 及其向用戶提供了哪些操作接口。通過(guò) cpufreq-set 將 ondemand 設(shè)置為當(dāng)前所使用的 governor 之后，在 /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq 目錄下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為 ondemand 的子目錄

　　$ sudo cpufreq-set -g ondemand

　　$ ls /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ondemand/

　　ignore_nice_load

　　powersave_bias

　　sampling_rate

　　sampling_rate_max

　　sampling_rate_min

　　up_threshold

　　$ sudo cat sampling_rate_min sampling_rate

　　sampling_rate_max

　　40000

　　80000

　　40000000

　　$ sudo cat up_threshold

　　30

　　在這個(gè)子目錄下名字以 sampling 打頭的三個(gè)文件分別給出了ondemand governor 允許使用的最短采樣間隔，當(dāng)前使用的采樣間隔以及允許使用的最長(zhǎng)采樣間隔，三者均以微秒為單位。

　　以筆者的電腦為例， ondemand governor 每隔 80 毫秒進(jìn)行一次采樣。另外比較重要的一個(gè)文件是 up_threshold ，它表明了系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)什么百分比時(shí)ondemand governor 會(huì)自動(dòng)提高CPU 的運(yùn)行頻率。以筆者的電腦為例，這個(gè)數(shù)值為 30% 。那么這個(gè)表明系統(tǒng)負(fù)載的百分比數(shù)值是如何得到的呢？在支持Intel 最新的 Enhanced Speedstep 技術(shù)的 CPU 中，在處理器硬件中直接提供了兩個(gè) MSR 寄存器（Model Specific Register）供 ondemand governor 采樣分析系統(tǒng)負(fù)載情況使用。這兩個(gè) MSR 寄存器的 名字分別為 IA32_MPERF 和 IA32_APERF［5］ ，其中 IA32_MPERF MSR 中的 MPERF 代表Maximum Performance ， IA32_APERF MSR 中的 APERF 代表Actual Performance 。就像這兩個(gè) MSR 的名字一樣， IA32_MPERF MSR 寄存器是一個(gè)當(dāng) CPU 處在 ACPI C0 狀態(tài)下時(shí)按照 CPU 硬件支持的最高運(yùn)行頻率每隔一個(gè)時(shí)鐘周期加一的計(jì)數(shù)器；IA32_APERF MSR 寄存器是一個(gè)當(dāng) CPU 處在 ACPI C0 狀態(tài)下時(shí)按照 CPU 硬件當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行頻率每隔一個(gè)時(shí)鐘周期加一的計(jì)數(shù)器。有了這兩個(gè)寄存器的存在，再考慮上 CPU 處于ACPI C0 和處于 ACPI C1、C2、C3 三種狀態(tài)下的時(shí)間比例，也就是 CPU 處于工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)的時(shí)間比例， ondemand governor 就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出 CPU 的負(fù)載情況了。

　　得到了 CPU 的負(fù)載情況，接下來(lái)的問(wèn)題就是如何選擇 CPU 合適的運(yùn)行頻率了。剛剛在前面提到，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)up_threshold 所設(shè)定的百分比時(shí)， ondemand governor 將會(huì)自動(dòng)提高 CPU 的運(yùn)行頻率，但是具體提高到哪個(gè)頻率上運(yùn)行呢？在 ondemand governor 監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)負(fù)載超過(guò) up_threshold所設(shè)定的百分比時(shí)，說(shuō)明用戶當(dāng)前需要 CPU 提供更強(qiáng)大的處理能力，因此 ondemand governor 會(huì)將CPU設(shè)置在最高頻率上運(yùn)行，這一點(diǎn)社區(qū)中的開發(fā)人員和廣大用戶都沒(méi)有任何異議。但是當(dāng) ondemand governor 監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)負(fù)載下降，可以降低 CPU 的運(yùn)行頻率時(shí)，到底應(yīng)該降低到哪個(gè)頻率呢？ 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，例如筆者使用的 CPU 支持三個(gè)可選頻率，分別為 1.67GHz、 1.33GHz 和 1GHz ，如果 CPU 運(yùn)行在 1.67GHz 時(shí)ondemand governor 發(fā)現(xiàn)可以降低運(yùn)行頻率，那么 1.33GHz 將被選作降頻的目標(biāo)頻率。這種降頻策略的主導(dǎo)思想是盡量減小對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，從而不會(huì)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(duì)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(huì)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(méi)有任何一個(gè)可選頻率滿足要求的話則會(huì)選擇 CPU 支持的最低運(yùn)行頻率。大量用戶的測(cè)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(méi)有改變，而 ondemand governor 最初的實(shí)現(xiàn)也保存了下來(lái)，并且由于其算法的保守性而得名conservative 。

支持 Intel Enhanced Speedstep 技術(shù)的 CPU 驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)前文在討論cpufreq 的軟件結(jié)構(gòu)時(shí)已經(jīng)指出， cpufreq 從設(shè)計(jì)上將 CPU 變頻的 policy 與mechanism 分離開來(lái)