隨著技術的發(fā)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?，F(xiàn)在的主流PC處理器的主頻已經(jīng)在3GHz左右，就算是智能手機的處理器也已經(jīng)可以工作在1.5GHz以上，可是我們并不是時時刻刻都需要讓CPU工作在最高的主頻上，尤其是移動設備和筆記本電腦，大部分時間里，CPU其實工作在輕負載狀態(tài)下，我們知道：主頻越高，功耗也越高。為了節(jié)省CPU的功耗和減少發(fā)熱，我們有必要根據(jù)當前CPU的負載狀態(tài)，動態(tài)地提供剛好足夠的主頻給CPU。在Linux中，內核的開發(fā)者定義了一套框架模型來完成這一目的，它就是CPUFreq系統(tǒng)。

1. ?sysfs接口

我們先從CPUFreq提供的sysfs接口入手，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：

[plain]?view plain?copy

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接口都位于：/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：

[plain]?view plain?copy

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代表目前正在工作的cpu，輸出顯示編號為0-7這8個cpu在工作，offline代表目前被關掉的cpu，present則表示主板上已經(jīng)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的超線程技術，其實物理上只是8個），第8-15號cpu處于關閉狀態(tài)（實際上不存在，因為present只有0-7）。

接著往下看：

[plain]?view plain?copy

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硬件上支持的頻率，而scaling前綴代表的是可以通過CPUFreq系統(tǒng)用軟件進行調節(jié)時所支持的頻率。cpuinfo_cur_freq代表通過硬件實際上讀到的頻率值，而scaling_cur_freq則是軟件當前的設置值，多數(shù)情況下這兩個值是一致的，但是也有可能因為硬件的原因，有微小的差異。scaling_available_frequencies會輸出當前軟件支持的頻率值，看看我的cpu支持那些頻率：

[plain]?view plain?copy

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(jié)策略：

[plain]?view plain?copy

conservative?ondemand?userspace?powersave?performance??

一共有5中策略供我們選擇，那么當前系統(tǒng)選用那種策略？讓我們看看：

[plain]?view plain?copy

dong@dong-990:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq$?cat?scaling_governor??

ondemand??

OK，我的系統(tǒng)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(jù)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(jié)中討論。scaling_driver則會輸出當前使用哪一個驅動來設置cpu的工作頻率。

當我們選擇userspace作為我們的調頻governor時，我們可以通過scaling_setspeed手工設置需要的頻率。powersave則簡單地使用最低的工作頻率進行運行，而performance則一直選擇最高的頻率進行運行。

2. ?軟件架構

通過上一節(jié)的介紹，我們可以大致梳理出CPUFreq系統(tǒng)的構成和工作方式。首先，CPU的硬件特性決定了這個CPU的最高和最低工作頻率，所有的頻率調整數(shù)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件的調節(jié)范圍，它們用scaling_xxx_freq來表示，同時，根據(jù)具體的硬件平臺的不同，我們還需要提供一個頻率表，這個頻率表規(guī)定了cpu可以工作的頻率值，當然這些頻率值必須要在cpuinfo_xxx_freq的范圍內。有了這些頻率信息，CPUFreq系統(tǒng)就可以根據(jù)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(jié)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來實現(xiàn)，目前的內核版本提供了5種governor供我們選擇。選擇好適當?shù)念l率以后，具體的頻率調節(jié)工作就交由scaling_driver來完成。CPUFreq系統(tǒng)把一些公共的邏輯和接口代碼抽象出來，這些代碼與平臺無關，也與具體的調頻策略無關，內核的文檔把它稱為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又是由頻率信息和具體的governor組成，governor才是具體策略的實現(xiàn)者，當然governor需要我們提供必要的頻率信息，governor的實現(xiàn)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(jié)工作。最后，如果其他內核模塊需要在頻率調節(jié)的過程中得到通知消息，則可以通過cpufreq notifiers來完成。由此，我們可以總結出CPUFreq系統(tǒng)的軟件結構如下：

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這一數(shù)據(jù)結構來表示：

[cpp]?view plain?copy

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;??

};??

其中的各個字段的解釋如下：

cpus和related_cpus?? ?這兩個都是cpumask_var_t變量，cpus表示的是這一policy控制之下的所有還出于online狀態(tài)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(shù)系統(tǒng)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變量指出這個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變量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，這時候就要把管理工作遷移到另一個cpu上）。

cpuinfo?? ?保存cpu硬件所能支持的最大和最小的頻率以及切換延遲信息。

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 ? ?該變量可以取以下兩個值：CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE，該變量只有當調頻驅動支持setpolicy回調函數(shù)的時候有效，這時候由驅動根據(jù)policy變量的值來決定系統(tǒng)的工作頻率或狀態(tài)。如果調頻驅動（cpufreq_driver）支持target回調，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結構和它的上下文數(shù)據(jù)。governor是實現(xiàn)該policy的關鍵所在，調頻策略的邏輯由governor實現(xiàn)。

update?? ?有時在中斷上下文中需要更新policy，需要利用該工作隊列把實際的工作移到稍后的進程上下文中執(zhí)行。

user_policy?? ?有時候因為特殊的原因需要修改policy的參數(shù)，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?shù)臅r候恢復原有的運行參數(shù)，需要使用user_policy保存原始的參數(shù)（min，max，policy，governor）。

kobj?? ?該policy在sysfs中對應的kobj的對象。

4. ?cpufreq_governor

所謂的governor，我把它翻譯成：調節(jié)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：

[cpp]?view plain?copy

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;??

};??

其中的各個字段的解釋如下：

name ? ?該governor的名字。

initialized ? ?初始化標志。

governor ? ?指向一個回調函數(shù)，CPUFreq Core會在不同的階段調用該回調函數(shù)，用于該governor的啟動、停止、初始化、退出動作。

list_head ? ?所有注冊的governor都會利用該字段鏈接在一個全局鏈表中，以供系統(tǒng)查詢和使用。

5. ?cpufreq_driver

上一節(jié)提到的gonvernor只是負責計算并提出合適的頻率，但是頻率的設定工作是平臺相關的，這需要cpufreq_driver驅動來完成，cpufreq_driver的結構如下：

[cpp]?view plain?copy

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;??

};??

相關的字段的意義解釋如下：

name?? ?該頻率驅動的名字。

init?? ?回調函數(shù)，該回調函數(shù)必須實現(xiàn)，CPUFreq Core會通過該回調函數(shù)對該驅動進行必要的初始化工作。

verify?? ?回調函數(shù)，該回調函數(shù)必須實現(xiàn)，CPUFreq Core會通過該回調函數(shù)檢查policy的參數(shù)是否被驅動支持。

setpolicy/target?? ?回調函數(shù)，驅動必須實現(xiàn)這兩個函數(shù)中的其中一個，如果不支持通過governor選擇合適的運行頻率，則實現(xiàn)setpolicy回調函數(shù)，這樣系統(tǒng)只能支持CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE這兩種工作策略。反之，實現(xiàn)target回調函數(shù)，通過target回調設定governor所需要的頻率。

get?? ?回調函數(shù)，用于獲取cpu當前的工作頻率。

getavg?? ?回調函數(shù)，用于獲取cpu當前的平均工作頻率。

6. ?cpufreq notifiers

CPUFreq的通知系統(tǒng)使用了內核的標準通知接口。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，該通知鏈上的回調將會用不同的事件參數(shù)被調用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的限制信息，比如溫控系統(tǒng)可能會修改在大允許運行的頻率。

CPUFREQ_INCOMPATIBLE ? ?只是為了避免硬件錯誤的情況下，可以在該通知中修改policy的限制信息。

CPUFREQ_NOTIFY ? ?真正切換policy前，該通知會發(fā)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(fā)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(tǒng)進入suspend而造成頻率被改變時，以下通知消息會被發(fā)出：

CPUFREQ_RESUMECHANGE

?