随着技术的发展, 我们对CPU的处理能力提出了越来越高的需求, 芯片厂家也对制造工艺不断地提升. 现在的主流PC处理器的主频已经在3GHz左右, 就算是智能手机的处理器也已经可以工作在1.5GHz以上, 可是我们并不是时时刻刻都需要让CPU工作在最高的主频上, 尤其是移动设备和笔记本电脑, 大部分时间里, CPU其实工作在轻负载状态下, 我们知道：主频越高, 功耗也越高. 为了节省CPU的功耗和减少发热, 我们有必要根据当前CPU的负载状态, 动态地提供刚好足够的主频给CPU. 在Linux中, 内核的开发者定义了一套框架模型来完成这一目的, 它就是CPUFreq系统

http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/9346981

#1 cpufreq调频系统

##1.1 cpufreq调频系统介绍

现在的 CPU 耗电很大, 按需调节 CPU 频率对普通桌面及移动设备节能有重要的意义, 目前多数Linux发行版都已经默认启用了这个功能, 但在一些像数据库, 集群系统等特别需要 CPU 高性能的服务器环境中, Linux 提供的这种对 CPU 频率调节的功能对 CPU 性能使用受到一些限制, 不利于系统性能的更好发挥.

为此需要 Linux 系统管理员进行必要相关参数优化及设置来确保CPU 性能最大化. 本文将针对应用中常见的 RedHat 系列及Debian/Ubuntu 系列中 CPU 频率调整工具的使用进行描述, 以方便 Linux 用户进行该方面工作的优化.

在 Linux 中, 内核的开发者定义了一套框架模型来完成 CPU 频率动态调整这一目的, 它就是 CPU Freq 系统. 尽管在各个 Linux 发行版中, 前端软件稍有差异, 但其最终都会通过 Linux 内核的 CPU Freq 系统来实现 CPU 频率动态调整的功能.

##1.2 cpu节能模式

这些软件都会提供如下 CPU 模式(governor参数)

#2 使用接口

##2.1 sysfs接口

我们先从 CPUFreq 提供的 sysfs 接口入手, 直观地看看它提供了那些功能.

###2.1.1 `/sys/devices/system/cpu` 总目录

所有与 CPUFreq 相关的 sysfs 接口都位于 : /sys/devices/system/cpu 下面

以下是我的电脑输出的结果

cd /sys/devices/system/cpu
ls

我们可以看到, 4个 cpu 分别建立了一个自己的目录, 从 cpu0 到 cpu3, 我们再看看 offline 和 online 以及present的内容：

接口文件	描述	我的输出
possible	代表主板支持的cpu	0-7, 表示主板有8个cpu插槽, 支持8个cpu, 编号0-7
present	则表示主板上已经安装的cpu	0-3, 表示当前主板上安装了4个cpu, 编号0-3
online	代表目前正在工作的cpu	0-3, 表示系统中有4个cpu在工作, 编号0~3
offline	代表目前被关掉的cpu	并停掉没有工作的 `cpu`, 包括 `hotplug` 的 `cpu` 和未安装的 `cpu`
kernel_max	代表内核支持的最大cpu数目	255, 系统最大支持255个cpu

我们接着往下看 :

###2.1.2 单个cpu的freq策略 cpufreq/policyx 与 cpux/cpufreq

子目录 cpufreq 就是调频子系统的接口目录, 对应每个cpu单独有一个 policyx 的子目录, 其对应了编号为 x 的 cpu 的变频设置

#-------
ls cpufreq
ls cpufreq/policy*

#-------
tree cpufreq

同时每个安装的 cpu 都有一个单独的目录 cpux, cpux中存储了编号为 x 的 cpu 的所有信息. 其中其子目录 cpufreq 存储了其 CPU-Freq 变频的信息, 它是一个链接文件, 指向了我们之前提到的 ../cpufreq/policyx

下面我们选择一个 cpu 的 cpufreq 目录进入, 比如 cpu0, 其目录路径如下

/sys/devices/system/cpu/cpufreq/policy0

OR

/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq

这个目录下通常应该存在的文件, 以及他们在我的电脑上的值如下表所示

变量	值
affected_cpus	需要软件协调频率的 `CPU` 列表
related_cpus	需要软件或者硬件来协调频率的 `CPU` 列表
`scaling_available_frequencies`	当前软件支持的频率值, 看看当前 `cpu` 支持那些频率
scaling_driver	该 `CPU` 正在使用何种 `cpufreq driver`, 完成 `cpufreq` 控制的硬件驱动
scaling_setspeed	如果用户选择了 `userspace` 作为当前的 `cpufreq` 策略 `governor`, 那么可以设置 `cpu` 工作主频率到某一个指定值. 只需要这个值在 `scaling_min_freq` 和 `scaling_max_freq` 之间即可
scaling_governor	当前处理器的变频策略 `governor` 类型
scaling_available_governors	当前内核中支持的所有 `cpufreq governor` 类型
scaling_min_freq	被 `governor` 和 `cpufreq` 核决定的当前 `CPU` 的最低工作频率, 该频率是内核认定的该 `CPU` 理论上的最低运行频率
scaling_curr_freq	被 `governor` 和 `cpufreq` 核决定的当前 `CPU` 工作频率, 该频率是内核认定的该 `CPU` 理论上运行的主频率
scaling_max_freq	被 `governor` 和 `cpufreq` 核决定的当前 `CPU` 工作频率, 该频率是内核认定的该 `CPU` 理论上的最大运行频率
cpuinfo_transition_latency	定义了处理器在两个不同频率之间切换时所需要的时间(单位 : 纳秒)
cpuinfo_min_freq	通过硬件实际读取到的`cpu` 的最低运行频率
cpuinfo_cur_freq	通过硬件实际读取到的`cpu` 的当前运行频率
cpuinfo_max_freq	通过硬件实际读取到的`cpu` 的最高运行频率

所以, 我的 cpu0 的最低运行频率是800000 = 800MHz, 最高是3000000 = 3.0GHz, 目前正在运行的频率是837656=837.656MHz

前缀 cpuinfo 代表的是cpu硬件上支持的频率, 而 scaling 前缀代表的是可以通过 CPUFreq 系统用软件进行调节时所支持的频率.
cpuinfo_cur_freq 代表通过硬件实际上读到的频率值, 而 scaling_cur_freq 则是软件当前的设置值, 多数情况下这两个值是一致的, 但是也有可能因为硬件的原因, 有微小的差异. 因为cat scaling_xxx_freq 需要通过系统软件读取硬件的信息, 因此需要 root 权限

scaling_driver 则会输出当前使用哪一个驱动来设置 cpu 的工作频率.
scaling_available_governors 则会输出当前可供选择的频率调节策略
当前系统选用 CPU-FREQ 策略用 scaling_governor 来表示

我们的系统中当前仅支持两个变频策略高性能 performance 和节能 powersave. 而当前使用的策略是节能 powersave.

当我们选择 userspace 作为我们的调频 governor 时, 我们可以通过 scaling_setspeed 手工设置需要的频率.

powersave 则简单地使用较低的工作频率进行运行

performance 则一直选择较高的频率进行运行.

###2.1.3 sys接口的软件架构

通过上一节的介绍, 我们可以大致梳理出 CPUFreq 系统的构成和工作方式.

首先, CPU 的硬件特性决定了这个CPU的最高和最低工作频率, 所有的频率调整数值都必须在这个范围内, 它们用 cpuinfo_xxx_freq来表示.
然后, 我们可以在这个范围内再次定义出一个软件的调节范围, 它们用 scaling_xxx_freq 来表示
同时, 根据具体的硬件平台的不同, 我们还需要提供一个频率表, 这个频率表规定了 cpu 可以工作的频率值, 当然这些频率值必须要在 cpuinfo_xxx_freq 的范围内. 有了这些频率信息,
CPUFreq 系统就可以根据当前 cpu 的负载轻重状况, 合理地从频率表中选择一个合适的频率供 cpu 使用, 已达到节能的目的. 至于如何选择频率表中的频率, 这个要由不同的 governor 来实现, 目前的内核版本提供了多种 governor 供我们选择. 选择好适当的频率以后, 具体的频率调节工作就交由 scaling_driver 来完成.
CPUFreq 系统把一些公共的逻辑和接口代码抽象出来, 这些代码与平台无关, 也与具体的调频策略无关, 内核的文档把它称为CPUFreq Core(/Documents/cpufreq/core.txt). 另外一部分, 与实际的调频策略相关的部分被称作 cpufreq_policy, cpufreq_policy 又是由频率信息和具体的 governor 组成, governor 才是具体策略的实现者, 当然 governor 需要我们提供必要的频率信息, governor 的实现最好能做到平台无关, 与平台相关的代码用 cpufreq_driver 表述, 它完成实际的频率调节工作.
最后, 如果其他内核模块需要在频率调节的过程中得到通知消息, 则可以通过cpufreq notifiers来完成. 由此, 我们可以总结出CPUFreq系统的软件结构

cpufreq 在设计上主要分为以下三个模块：

Cpufreq 模块(cpufreq module)对如何在底层控制各种不同 CPU 所支持的变频技术以及如何在上层根据系统负载动态选择合适的运行频率进行了封装和抽象, 并在二者之间定义了清晰的接口, 从而在设计上完成了前文所提到的对 mechanism 与 policy 的分离.

在 cpufreq 模块的底层, 各个 CPU 生产厂商只需根据其变频技术的硬件实现和使用方法提供与其 CPU 相关的变频驱动程序(CPU-specific drivers)，例如 Intel 需要提供支持 Enhanced SpeedStep 技术的 CPU 驱动程序, 而 AMD 则需要提供支持 PowerNow 技术的 CPU 驱动程序.

在 cpufreq 模块的上层, governor 作为选择合适的目标运行频率的决策者, 根据一定的标准在适当的时刻选择出 CPU 适合的运行频率, 并通过 cpufreq 模块定义的接口操作底层与 CPU 相关的变频驱动程序, 将 CPU 设置运行在选定的运行频率上. 目前最新的 Linux 内核中提供了 performance, powersave, userspace, conservative 和 ondemand 五种 governors 供用户选择使用, 它们在选择 CPU 合适的运行频率时使用的是各自不同的标准并分别适用于不同的应用场景. 用户在同一时间只能选择其中一个 governor 使用, 但是可以在系统运行过程中根据应用需求的变化而切换使用另一个 governor.

这种设计带来的好处是使得 governor 和 CPU 相关的变频驱动程序的开发可以相互独立进行, 并在最大限度上实现代码重用, 内核开发人员在编写和试验新的 governor 时不会再陷入到某款特定 CPU 的变频技术的硬件实现细节中去, 而 CPU 生产厂商在向 Linux 内核中添加支持其特定的 CPU 变频技术的代码时只需提供一个相对来说简单了很多的驱动程序, 而不必考虑在各种不同的应用场景中如何选择合适的运行频率这些复杂的问题.

内核中的 cpufreq 子系统通过 sysfs 文件系统向上层应用提供了用户接口, 对于系统中的每一个 CPU 而言, 其 cpufreq 的 sysfs 用户接口位于 /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/ 目录下，其中 X 代表 processor id, 与 /proc/cpuinfo 中的信息相对应。

#2.2 `proc` 文件接口

/proc/cpuinfo 文件与系统中 /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/ 的信息一致, 只不过 /proc/cpuinfo 只提供了基本的信息

cat /proc/cpuinfo

##2.3 应用接口

注意, 只支持某些可调节频率的cpu, 如intel的笔记本 cpu. 可能可以超频, 没敢实验, 那位试试看好了.

软件包	文件列表	提供命令
gnome-applets	文件列表	cpufreq-applet
indicator-cpufreq	文件列表	indicator-cpufreq, indicator-cpufreq-selector
cpufrequtils	文件列表	cpufreq-aperf, cpufreq-info, cpufreq-set

###2.3.1 cpufrequtils

cpufrequtils 是内核中内置的 cpufreq 接口工具, 其代码位于内核源代码目录tools/power/cpupower, 包括性能评测工具 bench, 底层运行库 lib, 上层应用框架 utils.

我们需要安装 cpufrequtils. 此软件是查看 cpu 当前频率以及修改频率、选择cpu、选择cpu运行方式的

sudo apt-get install cpufrequtils

提供的命令和应用

命令	功能
cpufreq-info	查看 `cpu` 类型、当前频率、支持频率、运行模式等
cpufreq-set	设置制定 `cpu` 的当前频率、支持频率、运行模式等
cpufreq-aperf

查看 cpu类型、当前频率、支持频率、运行模式等具体用法可以看 man, 或者在命令后加 -h, 比如

man cpufreq-info

或者

cpufreq-info -h

这是我的 cpu 在 powersave 模式下的情况

cpufrequtils 008: cpufreq-info (C) Dominik Brodowski 2004-2009
Report errors and bugs to cpufreq@vger.kernel.org, please.
analyzing CPU 0:
  driver: intel_pstate
  CPUs which run at the same hardware frequency: 0
  CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
  maximum transition latency: 0.97 ms.
  hardware limits: 800 MHz - 3.00 GHz
  available cpufreq governors: performance, powersave
  current policy: frequency should be within 800 MHz and 3.00 GHz.
                  The governor "powersave" may decide which speed to use
                  within this range.
  current CPU frequency is 2.44 GHz.

调整cpu频率 sudo cpufreq-set -f 你所需要的频率注意, 此处的频率必须是以KHz为单位, 并且是可以达到的频率(也就是用 cpufreq-info 查看到的各个频率), cpu频率 = 倍频 x 外频`
调整cpu频率上下限

sudo cpufreq-set -d 频率下限
sudo cpufreq-set -u 频率上限

因此, 可能可以对 cpu 进行降频或者超频.

调整cpu运行模式

suod cpufreq-set -g 模式

这里, 模式就是执行 cpufreq-info 后看到的所支持的模式. 比如 : powersave, userspace, ondemand, conservative, performance.

策略	描述
powersave	是无论如何都只会保持最低频率的所谓“省电”模式
userspace	是自定义频率时的模式，这个是当你设定特定频率时自动转变的
ondemand	默认模式。一有cpu计算量的任务，就会立即达到最大频率运行，等执行完毕就立即回到最低频率
conservative	翻译成保守（中庸）模式，会自动在频率上下限调整，和ondemand的区别在于它会按需分配频率，而不是一味追求最高频率
performance	顾名思义只注重效率，无论如何一直保持以最大频率运行

添加cpu监视器

监视 cpu 频率的系统就有, 右键单击面板, 选择"添加到面板", 里面找到"cpu频率范围监视器".

另外，如果嫌命令行麻烦，可以这么做

 sudo chmod +s /usr/bin/cpufreq-selector

然后, cpu 频率范围监视器的首选项里就会多出一个“频率选择器”, 显示菜单选择“频率和调速器”. 鼠标左键单击 cpu 频率范围监视器, 会发现“频率”和“调速器”两个菜单，就可以随便调了

监视温度的需要自己安装，

sudo apt-get install sensors-applet

然后也是这样添加到面板, 名字叫"Hardware sensors monitor".

###2.3.2 Indicator-CPUfreq

Indicator-CPUfreq 是一个控制面板的小工具, 提供了一键切换 cpufreq 的功能

sudo apt-get install indicator-cpufreq

Indicator-CPUfreq 是一个 Gnome Indicator applet, 用于监视和即时改变 CPU 的速率, 它提供了多种模式，分别为 conservative (保守), Ondemand (按需), Performance (性能)及 Powersave (省电).

这个小工具对于笔记本用户来说应该有一定的用处，可以通过它来随时改变 CPU 速率，以便延长电池续航时间。

###2.3.3 gnome-applets

sudo apt-get install gnome-applets

###2.3.4 cpufreqd

sudo apt-get install cpufreqd

###2.3.5 gkrellm系统监控插件

sudo apt-get install gkrellm gkrellm-cpufreq

#3 内核的 `cpufreq` 实现

##3.1 cpufreq_policy

一种调频策略的各种限制条件的组合称之为policy, 代码中用cpufreq_policy这一数据结构来表示：

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/cpufreq.h?v=4.8#L65

其中的各个字段的解释如下：

字段	描述
cpus, related_cpus和real_cpus	这三个都是 `cpumask_var_t` 变量 `cpus`表示的是这一`policy`控制之下的所有还处于online状态的`cpu`; `related_cpus`则是`online`和`offline`两者的合集; `real_cpus`则是与当前策略相关的所有的被安装CPU的合集; 主要是用于多个`cpu`使用同一种`policy`的情况, 实际上, 我们平常见到的大多数系统中都是这种情况 : 所有的`cpu`同时使用同一种`policy`. 我们需要`related_cpus`变量指出这个`policy`所管理的所有`cpu`编号.
shared_type	ACPI: ANY or ALL affected CPUs should set cpufreq
cpu和last_cpu	虽然一种`policy`可以同时用于多个`cpu`, 但是通常一种`policy`只会由其中的一个`cpu`进行管理, `cpu`变量用于记录用于管理该`policy`的`cpu`编号, 而`last_cpu`则是上一次管理该`policy`的`cpu`编号(因为管理`policy`的`cpu`可能会被`plug out`, 这时候就要把管理工作迁移到另一个`cpu`上).
clk
cpuinfo	保存cpu硬件所能支持的最大和最小的频率以及切换延迟信息.
min/max/cur	该policy下的可使用的最小频率, 最大频率和当前频率
resort_freq
suspend_freq
policy和last_policy
governor, governor_data和last_governor	指向该policy当前使用的cpufreq_governor结构和它的上下文数据. governor是实现该policy的关键所在, 调频策略的逻辑由governor实现.last_governor则缓存了之前所使用的策略信息
update	有时在中断上下文中需要更新policy, 需要利用该工作队列把实际的工作移到稍后的进程上下文中执行.
user_policy	有时候因为特殊的原因需要修改policy的参数, 比如溫度过高时, 最大可允许的运行频率可能会被降低, 为了在适当的时候恢复原有的运行参数, 需要使用user_policy保存原始的参数(min, max, policy, governor).
freq_table
freq_table_sorted
policy_list
kobj	该policy在sysfs中对应的kobj的对象.
kobj_unregister
rwsem
fast_switch_possible和 fast_switch_enabled

transition_ongoing
transition_lock
transition_wait
transition_task
stats
driver_data

该变量可以取以下两个值, 该变量只有当调频驱动支持setpolicy回调函数的时候有效, 这时候由驱动根据policy变量的值来决定系统的工作频率或状态. 如果调频驱动(cpufreq_driver)支持target回调, 则频率由相应的governor来决定.

值	描述
CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE
CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE

##3.2 cpufreq_governor

所谓的governor, 我把它翻译成：调节器.

governor负责检测cpu的使用状况, 从而在可用的范围中选择一个合适的频率, 代码中它用cpufreq_governor结构来表示：

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/cpufreq.h?v4.8#L491

其中的各个字段的解释如下：

字段	描述
name	该`governor`的名字.
initialized	初始化标志.
governor	指向一个回调函数, CPUFreq Core会在不同的阶段调用该回调函数, 用于该governor的启动、停止、初始化、退出动作.
governor_list	所有注册的governor都会利用该字段链接在一个全局链表中, 以供系统查询和使用.
owner

##3.3 cpufreq_driver

上一节提到的gonvernor只是负责计算并提出合适的频率, 但是频率的设定工作是平台相关的, 这需要cpufreq_driver驱动来完成, cpufreq_driver的结构如下：

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/cpufreq.h?v4.8#L254

字段	描述
name	该频率驱动的名字.
init	回调函数, 该回调函数必须实现, CPUFreq Core会通过该回调函数对该驱动进行必要的初始化工作.
verify	回调函数, 该回调函数必须实现, CPUFreq Core会通过该回调函数检查policy的参数是否被驱动支持.
setpolicy/target	回调函数, 驱动必须实现这两个函数中的其中一个, 如果不支持通过governor选择合适的运行频率, 则实现setpolicy回调函数, 这样系统只能支持CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE和CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE这两种工作策略. 反之, 实现target回调函数, 通过target回调设定governor所需要的频率.
get	回调函数, 用于获取cpu当前的工作频率.
getavg	回调函数, 用于获取cpu当前的平均工作频率.

##3.4 cpufreq notifiers

CPUFreq的通知系统使用了内核的标准通知接口. 它对外提供了两个通知事件：policy通知和transition通知.

http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/cpufreq.h?v4.8#L404
#define CPUFREQ_TRANSITION_NOTIFIER     (0)
#define CPUFREQ_POLICY_NOTIFIER         (1)

policy通知用于通知其它模块cpu的policy需要改变, 每次policy改变时, 该通知链上的回调将会用不同的事件参数被调用3次, 分别是：

字段	描述
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.

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/cpufreq.h?v4.8#L411
/* Policy Notifiers  */
#define CPUFREQ_ADJUST                  (0)
#define CPUFREQ_NOTIFY                  (1)
#define CPUFREQ_START                   (2)
#define CPUFREQ_CREATE_POLICY           (3)
#define CPUFREQ_REMOVE_POLICY           (4)

transition通知链用于在驱动实施调整cpu的频率时, 用于通知相关的注册者. 每次调整频率时, 该通知会发出两次通知事件：

字段	描述
CPUFREQ_PRECHANGE	调整前的通知.
CPUFREQ_POSTCHANGE	完成调整后的通知.

http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/cpufreq.h?v4.8#L408
/* Transition notifiers */
#define CPUFREQ_PRECHANGE               (0)
#define CPUFREQ_POSTCHANGE              (1)

当检测到因系统进入suspend而造成频率被改变时, 以下通知消息会被发出： CPUFREQ_RESUMECHANGE

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