Linux性能之DVFScpufreq

DVFS全称Dynamic Voltage and Frequency Scaling，即动态电压频率调整。这项技术可以根据芯片运行的应用程序的计算需求，动态调整电压和频率，从而达到节能的目的。

DVFS技术是一项需要软硬件结合的技术，硬件方面比如Intel的SpeedStep技术以及由此衍生的EIST技术，ARM的IEM和AVS技术等。软件方面对于Linux而言主要就是CPUfreq技术，下面我们着重分析一下这项技术。在开始之前，稍微讲一点硬件知识。

CMOS电路中分为动态功耗和静态功耗，公式为 power=Σ(CV²αf + VI)。 C 代表负载电容的容值，V 是工作电压，α 是当前频率下的翻转率，f为工作频率，I代表静态电流。公式中加号前面部分代表动态功耗，后半部分代表静态功耗。要想降低动态功耗的话，需要从C/α/V/f几个参数入手，而对于软件而言，通常可以调节的只有V和f。

好，基于上面的背景，对于Cpufreq技术其实也就是软件根据系统的负载，动态的去调整电压和频率来平衡性能和功耗。

总体而言，Cpufreq包含两部分内容，一是策略部分，该部分与具体CPU无关；而是driver部分，与具体平台实现策略有关系。这种设计的优点是实现了策略和实现机制的分离。首先看策略部分，目前Linux上通用的策略有五种，如下表所示：

对于安卓系统而言，还增加了一种interactive策略针对延时敏感的UI任务，当有UI任务时，改策略会采取更加激进的方式调节CPU频率。

对于用户空间而言，一般可通过/sys/devices/system/cpu/cpu[x]/cpufreq/xxx来查看CPU的调度策略或者进行设置。

主要有以下接口暴露给用户：

当切换不同调度策略时，还会出现一些新的接口。但通用接口如上表所示。

对于dirver而言，如果需要监控CPUfrq系统的变化，那么存在两种类型的通知，一种是CPUfreq的策略变化，另一种是CPU频率的变化。

策略变化总共有三种类型的通知:

CPUFREQ_ADJUST-只要有需要，所有的被通知者可以在此时修改policy的限制信息，比如温控系统可能会修改在大允许运行的频率。

CPUFREQ_INCOMPATIBLE-只是为了避免硬件错误的情况下，可以在该通知中修改policy的限制信息。

CPUFREQ_NOTIFY-真正切换policy前，该通知会发往所有的被通知者。

CPU频率变化会发出两种类型的通知：

CPUFREQ_PRECHANGE-调整前的通知

CPUFREQ_POSTCHANGE-完成调整后的通知

另外，系统休眠/唤醒如果CPU频率发生变化，还会发出CPUFREQ_SUSPENDCHANGE和CPUFREQ_RESUMECHANGE这两个通知。

需要注意的是，除了CPU之外，其他设备也可能存在DVFS的调整需求，可以关注devfreq，对应到driver/devfreq驱动目录。

内核在编译阶段就可以选择支持的governor以及默认governor。在menuconfig中可配置CONFIG_CPU_FREQ，CONFIG_CPU_FREQ_GOV_PERFORMANCE, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_POWERSAVE, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_USERSPACE, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_ONDEMAND, CONFIG_CPU_FREQ_GOV_CONSERVATIVE

等来选择是否开启CPUfreq，以及选择哪种governor。

Linux 3.1之后内核将cpupower-utils集成进内核tools/power/cpupower目录，改工具集的cpufreq-bench工具可以用来分析不同策略对CPU性能的影响。该工具的原理是模拟系统运行的状态来对比其他策略相比于performance高频模式完成任务的时间比例。以ondemand策略为例，命令使用方式如下：

cpufreq-bench -l 50000 -s 100000 -x 50000 -y 100000 -g ondemand -r 5 -n 5 -v

一般达到目标90%左右的比例视为理想比例。

本文基于 RockPi 4A 单板 Linux4.4 内核介绍 OPP Table 。

内核中将频率、电压的相关配置放在 DTSI 文件中，这些配置信息组成的节点被称为 OPP Table（Operating Performance Points） 。

定义文件： arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399-opp.dtsi ,内容如下：

上面节点中的相关属性含义如下：

1、 opp-shared ：表示 opp-table1 是小核的各 CPU 共用。

2、 rockchip,temp-hysteresis ：迟滞参数，防止频繁进入高温或低温，单位：毫摄氏度。

3、 rockchip,low-temp ：低温阈值。小于该值时，进入低温，大于‘该值+迟滞参数’时，恢复常温。

4、 rockchip,low-temp-min-volt ：低温下最低电压，单位：微伏。

5、 nvmem-cells ：从 eFUSE 中读取相关信息值（小核漏电流）。

6、 rockchip,pvtm-voltage-sel ：min-pvtm（单位KHz）、max-pvtm（单位KHz）和 voltage-selector (用于匹配 opp 节点中 opp-microvolt-L* 属性的序列号)。例：pvtm值为：0 ~ 143500 使用 opp-microvolt-L0 ，143501 ~ 148500使用 opp-microvolt-L1

7、 rockchip,pvtm-freq ：时钟频率（KHz），在获取 pvtm 的频率前，先设置 CPU 频率。

8、 rockchip,pvtm-volt ：电压（微伏），在获取 pvtm 的频率前，先设置 CPU 电压。

9、 rockchip,pvtm-ch ： PVTM 通道，格式<通道号 sel的序号>

10、 rockchip,pvtm-sample-time ： PVTM 采样时间，单位：毫秒。

11、 rockchip,pvtm-number ： PVTM 采样个数。

12、 rockchip,pvtm-error ：允许采样数据之间的误差。

13、 rockchip,pvtm-ref-temp ：参考温度。

14、 rockchip,pvtm-temp-prop ： PVTM 随温度变化的比例系数，格式<小于参考温度的比例系数 大于参考温度的比例系数>。

15、 rockchip,thermal-zone ：获取温度的 thermal-zone 。

16、 opp-microvolt-L* ：电压(微伏)，格式<target min max>

17、 clock-latency-ns ：完成变频需要的时间，单位：纳秒。

在 RK3399 中，除了配置上述小核的 opp table 外，还设置了大核（ cluster1_opp ）、 gpu(gpu_opp_table) 等的相关值。查看命令如下：

注：

CPU PVTM(Process Voltage Temperature Monitor) 是一个位于 CPU 附近，能反应出不同芯片之间性能差异的模块，受工艺，电压和温度 的影响。

参考：

Documentation/devicetree/bindings/cpufreq/cpufreq-rockchip.txt

Documentation/devicetree/bindings/cpufreq/cpufreq-rockchip.txt

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