Linux devfreq子系統分析及應用

朱振華

摘 ? 要：文章針對Linux的內核devfreq子系統框架進行了抽象分析，理清了子系統內部各關鍵模塊之間的相互關系。通過對子系統框架的分析整理出了devfreq driver的編程框架，并對后續Linux內核devfreq框架的演化進行了展望。

關鍵詞：Linux;設備調頻;功耗

隨著移動終端性能越來越強大、功能越來越多，其功耗也越來越高。隨著功耗的升高，移動終端所配備的電池容量越來越大，電池所占空間也越來越大、重量越來越重，不可避免地和移動終端所倡導的輕薄、便攜理念發生了沖突。Linux操作系統建立之初主要應用于臺式電腦、工作站、大型機等非移動平臺，所以并未對系統功耗進行過多關注。近些年來隨著android等移動操作系統的興起，作為android底層的Linux操作系統在功耗管理方面也有了長足的進步。文章所述的devfreq子系統是Linux功耗管理系統的一個重要子系統，其核心理念是通過某種手段對設備的負載進行動態測量，在設備輕載時降低設備工作電壓和頻率以最大限度地降低設備運行功耗，在設備重載時及時提高設備工作電壓和頻率以滿足設備的性能需求。通過對設備電壓和頻率的“按需供給”提高設備運行效能，從而降低設備功耗[1]。

1 ? ?devfreq子系統框架分析

Linux devfreq子系統對下封裝了設備硬件相關細節，根據硬件提供的設備負載信息和調頻調壓手段實現了對設備性能的“按需供給”;對上透出了相關sysfs API給用戶態應用程序，使應用程序可以根據場景需求動態改變設備調頻調壓的相關參數和策略，最大限度地滿足了用戶在不同場景下的多樣性需求，使“性能”和“功耗”這一對矛盾體得到了一定程度的統一。Linux devfreq子系統框架如圖1所示。

Linux devfreq的基本原理是通過周期性的測量被調設備的負載狀況來預估設備未來一段時間的性能需求，并根據此需求來調整設備工作的電壓和頻率，使設備性能總在“剛剛好滿足需求”的頻率和電壓下工作，從而最大程度地提高設備工作效能[2-3]。

devfreq core會為每一個加入devfreq子系統（devfreq-add-device）的設備啟動一個負載監控work：devfreq-monitor。Devfreq-monitor會周期性地通過event框架向設備負載監控單元獲取設備負載數據，之后使用驅動指定的governor調頻算法計算出未來一段時間設備需要運行的頻率電壓（update-devfreq），最后通過驅動定制的target方法調用clk和regulator相關接口完成最終的調頻調壓動作，如圖2所示。此work每polling-ms毫秒調度一次，polling-ms的具體數值由devfreq驅動定制。

Linux驅動開發倡導“機制”和“策略”分離，驅動程序提供“機制”，“策略”一般由上層框架或者應用程序指定，從而在保持Linux框架相對穩定的情況下給用戶提供了足夠的靈活性支持。具體到devfreq框架中，Linux將具體的調頻策略抽象為了governor，不同的governor提供不同的get_target_freq方法來實現不同的調頻策略。Linux框架提供如下幾個governor供驅動和用戶態API選擇。

（1）performance，設備固定工作在其支持的最高頻率上，以追求最高性能。

（2）powersave，設備固定工作在其支持的最低頻率上，以追求最低的功耗。

（3）userspace，將調頻策略的決策交給了用戶態應用程序，并提供相應的調頻調壓接口供其使用。

（4）ondemand，定時對系統負載情況進行采樣分析并據此調節設備工作頻率和電壓。

通常狀況下設備調頻驅動會選擇ondemand以便devfreq子系統可以自動對設備進行“按需調頻”，使設備效能達到最佳。

devfreq event對設備負載監控單元進行了封裝，并抽象出了簡潔的編程接口給devfreq event driver，使其可以將硬件負載監控單元提供的相關信息輕松納入devfreq框架供相關governor使用。

2 ? ?devfreq子系統驅動開發

devfreq子系統驅動通常包括兩個部分：devfreq driver和devfreq event driver。前者是設備調頻驅動的主體部分，需要定制本驅動調頻策略（governor選擇）、選擇合適的devfreq-monitor調度周期以及定制自己的調頻方法等;后者主要實現設備負載監控單元的相關信息獲取和封裝供devfreq框架使用。如果設備有獨立的clock和power，一般也需要將其納入到Linux clk子系統和regulator子系統進行管理[4]。

2.1 ?devfreq ?driver

devfreq driver只需要完成如下幾步即可完成驅動編碼：

（1）完成驅動自己的devfreq-dev-profile定制。Devfreq-dev-profile結構體的主要成員如下。

polling_ms：devfreq_monitor線程的運行周期，單位是ms。

target：調頻調壓的具體執行方法，一般需要通過clock子系統和regulator子系統相關接口實現。此方法在devfreq_monitor線程中被調用。

Get-dev-status：通過調用event子系統相關方法獲取當前周期內設備負載相關信息供governor計算調頻目標頻點使用。

Get-cur-freq：獲取設備的當前運行頻率。

（2）驅動probe階段將本設備加入到devfreq子系統，步驟如下：

從幾個governor中選擇一個作為設備調頻策略。

以定制的devfreq-dev-profile和選定的governor做參數調用devfreq-add-device接口，將本設備加入到devfreq子系統中。

2.2 ?devfreq ?event ?driver

（1）Devfreq-event-driver只需要完成如下幾步即可完成驅動編碼。完成驅動自己的devfreq-event-ops定制。Devfreq-event-ops結構體的主要成員如下：

disable，停止本設備負載監控。

enable，開啟本設備性能監控。

Get-event，獲取設備負載信息。

（2）驅動probe階段將本設備加入到devfreq event子系統，步驟如下：

以定制的devfreq-event-ops為參數調用devfreq-event-add-new接口，將本設備加入到devfreq event子系統中。

3 ? ?結語

Linux devfreq子系統框架對設備調頻軟硬件相關復雜性進行了封裝，設備調頻驅動只需要按照Linux框架要求并根據自身硬件特性提供相關屬性和定制相關方法即可，大大降低了設備調頻驅動開發難度，加快產品上市速度。

片上系統的clock子系統結構通常是樹狀結構，所以單獨一個device調頻往往會影響到相關的父子設備。Linux當前的devfreq框架相對來說還稍顯簡陋，多用于對較為獨立的單一設備進行調頻調壓，并沒有納入到Linux設備模型中進行統一管理。隨著Linux的發展，后續如果device的相關調頻動作納入到設備模型power相關操作，集中由內核統一管理，根據硬件拓撲結構及dts相關配置自動處理上下游設備的依賴關系，devfreq的功能會更加強大。

[參考文獻]

[1]宋寶華.Linux設備驅動開發詳解-基于最新的Linux 4.0內核[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]周建政，呂柏權.基于linux嵌入式的電源管理的研究[J].儀表技術，2008（1）：59-61.

[3]趙婉芳.基于Linux的cpufreq動態電源管理模塊研究[J].現代工業經濟和信息化，2018（5）：72-73，94.

[4]趙婉芳.基于linux的電源管理cpuidle模塊研究及應用[J].中國科技縱橫，2017（22）：19，21.

Analysis and application of Linux devfreq subsystem

Zhu Zhenhua

（Zhuhai Quanzhi Polytron Technologies Inc， Zhuhai 519000， China）

Abstract：This paper analyzes the devfreq subsystem framework of Linux kernel， and clarifies the relationship among the key modules in the subsystem. Through the analysis of the subsystem framework， the programming framework of devfreq driver is sorted out， and the future evolution of devfreq framework of Linux kernel is prospected.

Key words：Linux; device frequency modulation; power consumption