Linux devfreq framework 剖析
内核工匠 2022-09-29


当今的复杂SoC由多个子模块协同工作组成。在执行各种用例的操作系统中,并非SoC中的所有模块都需要始终保持最高性能。为方便起见,将SoC中的子模块分组为域,从而允许某些域以较低的电压和频率运行,而其他域以较高的电压/频率对运行。


对于这些设备支持的频率和电压对,我们称之为OPP(Operating Performance Point)。对于具有OPP功能的非CPU设备,本文称之为OPP device,需要通过devfreq进行动态的调频调压。


devfreq:Generic Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) Framework for Non-CPU Devices。是由三星电子MyungJoo Ham ,提交到社区。原理和/deivers/cpufreq 非常近似。但是cpufreq驱动并不允许多个设备来注册,而且也不适合不同的设备具有不同的governor。devfreq则支持多个设备,并且允许每个设备有自己对应的governor。


如下图,devfreq framework是功耗子系统的一部分,与cpufreq,cpuidle,powermanager相互配合协作,已达到节省系统功耗的目的。


图1



标准化接口


devfreq framework作为Linux Kernel一个子系统,需要为user space和其他子系统提供接口,已完成功能交互。本章从Kernel空间和user空间的角度,介绍devfreq framework的相关接口。


1. Kernel空间数据结构和接口


1) devfreq profile结构体,是OPP device注册到devfreq framework的数据结构,主要包含OPP设备的频率相关信息和相关的回调函数,是devfreq framework和OPP device driver的交互接口。


类似设备驱动模型,将OPP device driver对devfreq使用,简化为devfreq profile结构体的填充。大大简化了开发复杂度,减少了重复的工作。


下面对devfreq_dev_profile的主要属性进一步的介绍。


2) devfreq governor结构体,是governor注册到devfreq framework的数据结构,主要包含governor的相关属性和具体的函数实现。是devfreq framework和governor交互接口。


下面对devfreq_governor 的主要属性进一步的介绍。


3) devfreq设备结构体,这个是devfreq设备的核心数据结构。将上述的OPP device driver的devfreq_dev_profile和governor的devfreq_governor连接到一起,并通过设备驱动模型中device类,为user 空间提供接口。


下面对devfreq的主要属性进一步的介绍。



2. 用户空间文件节点


devfreq framework不仅为Kernel空间的设备驱动提供了标准化接口,也为user空间提供了标准化的文件节点,方便user空间的程序,更好的监控和修改。


相关文件节点介绍:kernel/Documentation/ABI/testing/sysfs-class-devfreq。


  • available_frequencies: 可用的频率列表

  • available_governors:可用的governor

  • cur_freq:当前频率

  • governor: 当前governor

  • max_freq:最大频率

  • min_freq :最小频率

  • polling_interval:governor调度的时间间隔,单位是ms

  • target_freq:目标频率

  • trans_stat:状态调整表


代码实现:kernel/drivers/devfreq/devfreq.c



工作流程


本章节主要介绍devfreq framework在系统中的工作流程,从初始化,频率调整,退出机制几个方便介绍devfreq framework的运行机制和函数调用逻辑。


1. 初始化


初始化,主要包括devfreq framework,governor的初始化和OPP device创建devfreq设备的流程。如图2所示。下面的章节,将对各个初始化过程,进行更进一步的介绍。


图2


1) Devfreq framework初始化,逻辑非常简单清晰,主要完成以下的任务,然后为governor的初始化和OPP device 创建devfreq device做好准备。


代码实现:kernel/drivers/devfreq/


a.创建devfreq设备类


b.创建工作队列,用于负载监控work调用运行


c.加入到subsys_initcall,系统启动时初始化



2) governors 初始化


系统中可支持多个governors,在系统启动时进行初始化,并注册到devfreq framework中, 后续OPP device创建devfreq设备,会根据governor名字从已经初始化好的governor 列表中,查找对应的governor实例。


a.填充governor的结构体,不同的governor,会有不同的实现。


b.将governor加入到devfreq framework的governor列表中。


c.加入到subsys_initcall,系统启动时初始化。



目前系统默认支持下面:


  • simple_ondemand:按需调整模式;根据系统负载动态频率,平衡性能和功耗

  • Performance:性能优先模式,调整到最大频率

  • Powersave:功耗优先模式,调整到最小频率

  • Userspace:用户指定模式,调整到用户设置的频率.

  • Passive:被动模式,使用设备指定方法做调整或跟随父devfreq设备的governor


可以根据自己的设备特性,通过填充devfreq_governor结构体和实现get_target_freq方法和event_handler,完成的自己的governor。devfreq framework的架构设计对governor扩展,支持极好。


3) OPP device通过devfreq framework创建devfreq device。


以UFS设备为例,介绍OPP device用devfreq framework来添加devfreq设备的过程。


代码位置:kernel/drivers/scsi/ufs/ufshcd.c


① OPP device driver通过devfreq framework创建devfreq设备。


a.将ufs设备的core clk的添加到opp子系统中,devfreq_add_device函数中,会从opp子系统中获取clk信息。


b.将OPP device相关频率信息和回调函数,并填充devfreq profile数据结构。


c.调用devfreq_add_device函数,将devfreq profile数据结构,governor名字,添加到devfreq framework。

②devfreq_add_device 创建devfreq设备的流程如下:


a. devfreq device申请内存空间 初始化devfreq device结构体后,注册设备。


b. 根据传入的governor名字,从governor列表中,获取对应的governor实例。


c.发送DEVFREQ_GOV_START到governor,开始管理OPP device的频率。


2.频率调整过程


图3


如图3所示,频率调整过程中,分工非常明确,devfreq framework是大管家负责监控程序的运行,governor提供管理算法,OPP device提供自身的负载状态和频率设置的方法实现。


系统中有不同的governor,而且不同的governor有不同的管理算法,但是频率调整过程是一样的。本小节,以simple_ondemand governor为例,讲述governor的管理过程。


1)governor的event_handler收到 DEVFREQ_GOV_START事件,调用对应的函数,调度工作队列,运行负载监控程序。


2)负载监控程序。


a.调用governor的get_target_freq方法,获取下一次的调频结果。


b.调用OPP device注册到devfreq framework 的target函数,设置新的频率信息。


c.调度延迟工作队列,延迟OPP device 设置的轮询间隔后,再次运行。


3)governor的get_target_freq方法,调用opp device注册到devfreq framework的回调函数,获取当前device负载信息,根据算法,返回调整频率。



3. 删除devfreq设备


1)直接调用device_unregister函数注销devfreq设备。


2)device_unregister注销过程中会调用devfreq_dev_release函数,完成下面的事务。


a.发送DEVFREQ_GOV_STOP event,governor停止运行;


b.回调OPP device注册到devfreq framework的exit函数;


c.释放devfreq device申请的资源。



架构设计


devfreq framework将多种OPP device和多种governor进行抽象,对OPP device提供了统一的接口,来满足其对devfreq的需求。对governor提供统一的实现格式,为后续扩展不同governor,提供很好的架构支持。是一个典型的子系统实现模式。为后续在我们自己做子系统架构设计,提供了一个很好的参考。




综述


本文从需求背景、接口、数据结构、工作流程和架构设计几个维度,介绍Linux Kernel的devfreq framework 子系统。希望能对大家的工作学习有所帮助。因个人能力所限,如有错误,欢迎大家斧正。

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