从安卓探究Linux内核CPU调速器

0x00 前言

生活离不开手机，安卓占据了手机系统的半壁江山。手机CPU频率是手机性能的重要指标之一，目前顶级梯队的骁龙855芯片中”大核”频率已经达到了2.84GHz，即使它使用7nm工艺制造，运行在如此高频必然需要较高的核心电压，也同时会增加耗电。为了提高能耗比，除了物理上改进cpu设计，软件上优化软件算法……还有一个重要的措施————使用CPU调速器（Governor）。

0x01 cpu如何手动调速

本文实验均在lineageOS进行(关闭高通热插拔与跳频设置)。本地化系统（如miui，flyme，emui等）或高通的热插拔技术可能会干预cpu频率，无法简单地进行手动调频。

1
2
3
4
5
6
7
# 对cpu0进行调整
cd /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/
# 调整cpu0最大频率
echo 2200000 > scaling_max_freq
# 调整cpu最小频率
echo 1596000 > scaling_min_freq
# 若将cpu最大最小频率设置为相同频率，即锁定cpu频率。

0x02 什么是cpu调速器

机器处在相对空闲的状态下，此时CPU不需要运行在高频率上，调速器会降低cpu频率从而省电。当机器需要进行大量计算时，调速器会升高cpu频率以防止应用出现卡顿。广义上讲，AI优化也是一种调速器，因为现在手机厂商所谓AI优化很大一部分优化效果归功于对cpu频率的精准控制（当然AI优化也不全是调速器，还有动态分辨率调整之类的其他技术）。
简单来说，调速器就是根据负载情况自动化调节cpu频率的工具。

0x03 有哪些常见的cpu调速器

  • 【interactive】交互模式（在安卓使用最广泛的调速器）
  • 【conservative】保守模式
  • 【performance】高性能模式
  • 【powersave】省电模式
  • 【Wheatley】惠特利模式
  • 【lionheart】狮心模式
  • 【smartass】聪明模式
  • 【smartassV2】聪明V2模式

0x04 如何用好调速器

（以interactive调速器为例）——调速器参数调整的学问

1.above_hispeed_delay:

核心频率超过hispeed_freq时，升频延迟时间(above_hispeed_delay)(单位uS)
(example:40000 1400000:30000)
hispeed_freq<频率<1.4GHz，且连续40000uS达到目标负载，才进行升频。
频率>1.4GHz，且连续30000uS达到目标负载，才进行升频。

2.boost:

如果非0则将频率设定为hispeed_freq，用于应对瞬间大量任务。

3.boostpulse_duration

boost时间限制(单位uS)

4.go_hispeed_load:

example: (90)
在最低频状态，且负载达到 go_hispeed_load 即90%时，CPU直接提频到hispeed_freq。

5.hispeed_freq:

example:(1728000)(即1728MHz)
设定hispeed_freq。

6.min_sample_time:

example: (40000)
需要保持当前频率多久才进行降频(单位uS)。

7.sampling_down_factor:

example: (1(default))

8.target_loads:

example: (85
1200000:75
1500000:85)
负载达到85时进行升频。频率为1.2GHz-1.5GHz时负载75%进行升频。频率>1.5GHz时负载85%进行升频。
1.jpg
2.jpg

注：go_hispeed_load 优先级高于 target_loads 优先级。

补充：实际案例

用实际案例解释各个调速器参数

安卓手机打开软件时的cpu频率折线图

(单位为0.1s)
3.jpg

  • 上图为软件打开时的cpu频率曲线，可以看到cpu瞬间提频至1.7GHz(hispeed_freq)
  • 但此时软件还在加载过程中，负载依然很高，延迟大约200ms(above_hispeed_delay)进行升频。升至最高频率1.98GHz
  • 最终软件完全加载完毕，仍然保持当前频率(min_sample_time)，后降频至300MHz。
  • 进入软件后进行滑动，ui绘制需要较多资源，cpu瞬间升至1.7GHz(hispeed_freq)。

个人见解：

  1. 为了省电：

    1. 将hispeed降低，将target_loads提高(cpu快速进入一个较低的频率，然后缓慢升频)

  2. 为了性能：

    1. 一是提高hispeed，当负载升高时，cpu快速进入高频，保证响应速度(保证突发性能)。提高target_load和above_hispeed_delay防止过快升频，为省电考虑。
    2. 二是降低hispeed，降低target_load和above_hispeed_delay缓慢提升频率，保证正常升频。

拓展：引入前台应用/时间/用户动作(如拿起手机，是否连续触摸)等多维度信息来调整调速器参数

2019-10-21更新

0x05 调速器代码逻辑简析

——从代码理解调速器逻辑(博主能力有限，正在研究代码中，持续更新

综合两文做了一些修改和补充，原文链接：https://blog.csdn.net/xujianqun/article/details/7681011
https://blog.csdn.net/u014089131/article/details/68490573

如何判断跳频（跳到hispeed_freq的实现）

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
if (cpu_load >= tunables->go_hispeed_load || tunables->boosted) {
    if (pcpu->policy->cur < tunables->hispeed_freq &&
        cpu_load <= MAX_LOCAL_LOAD) {//当前频率未达到最大频率，可以直接设置为最大频率
        new_freq = tunables->hispeed_freq;
    } else {//此时需要选择比hispeed_freq更大的频率
        new_freq = choose_freq(pcpu, loadadjfreq);
 
        if (new_freq < tunables->hispeed_freq)
            new_freq = tunables->hispeed_freq;
    }
} else {//choose_freq 设定新的频率,此时需要降频处理
    new_freq = choose_freq(pcpu, loadadjfreq);
}

把代码转换成语言描述就是

1、如果负载超过阈值(或开启boost)，就直接升频到hispeed。
2、如果负载超过阈值,频率也大于hispeed(或开启boost)，就调用choose_freq确定目标频率”最大频率*负载”。
3、如果负载没有超过阈值(未开启boost)，需要降频，就调用choose_freq确定目标频率”当前频率负载”，至于判断是否执行降频请继续向下阅读。

如何确定目标频率具体数值？(choose_freq的实现)

注：loadadjfreq算法

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
cputime_speedadj = (u64)sched_get_busy(data) * pcpu->policy->cpuinfo.max_freq;
loadadjfreq = (unsigned int)cputime_speedadj * 100;//内核不支持浮点运算

/*
 * choose_freq函数用来选频，使选频后的系统workload小于或等于target load
 * 核心思想是：选择最小的频率来满足target load
 * loadadjfreq一段时间内工作量
 */
static unsigned int choose_freq(struct cpufreq_interactive_cpuinfo *pcpu,
    unsigned int loadadjfreq)
{
    unsigned int freq = pcpu->policy->cur;//当前频率
    unsigned int prevfreq, freqmin, freqmax;
    unsigned int tl;//target load
    int index;
 
    freqmin = 0;
    freqmax = UINT_MAX;
 
    do {
        prevfreq = freq;
        //计算当前频率对应的workload
        tl = freq_to_targetload(pcpu->policy->governor_data, freq);
 
        /*
         * Find the lowest frequency where the computed load is less
         * than or equal to the target load.
         */
        //从freq_table中获取最优频率对应的index，取大于等于loadadjfreq / tl　(target freq)的最小值
        if (cpufreq_frequency_table_target(
                pcpu->policy, pcpu->freq_table, loadadjfreq / tl,
                CPUFREQ_RELATION_L, &index))
            break;
        freq = pcpu->freq_table[index].frequency;//**计算出的目标频率，调速器核心之一**
 
        if (freq > prevfreq) {//需要提高频率
            /* The previous frequency is too low. */
            freqmin = prevfreq;
 
            if (freq >= freqmax) {//如果目标频率高于最大频率，取最大频率
                /*
                 * Find the highest frequency that is less
                 * than freqmax.
                 */
                if (cpufreq_frequency_table_target(
                        pcpu->policy, pcpu->freq_table,
                        freqmax - 1, CPUFREQ_RELATION_H,
                        &index))
                    break;
                freq = pcpu->freq_table[index].frequency;
 
                if (freq == freqmin) {//这种情况就是锁频的情况，最大频率==最小频率
                    /*
                     * The first frequency below freqmax
                     * has already been found to be too
                     * low.  freqmax is the lowest speed
                     * we found that is fast enough.
                     */
                    freq = freqmax;
                    break;
                }
            }
        } else if (freq < prevfreq) {//需要降低频率
            /* The previous frequency is high enough. */
            freqmax = prevfreq;
 
            if (freq <= freqmin) {//目标频率比最低频率还小，取最小频率
                /*
                 * Find the lowest frequency that is higher
                 * than freqmin.
                 */
                if (cpufreq_frequency_table_target(
                        pcpu->policy, pcpu->freq_table,
                        freqmin + 1, CPUFREQ_RELATION_L,
                        &index))
                    break;
                freq = pcpu->freq_table[index].frequency;
 
                /*
                 * If freqmax is the first frequency above
                 * freqmin then we have already found that
                 * this speed is fast enough.
                 */
                if (freq == freqmax)//锁频的情况，最大频率==最小频率
                    break;
            }
        }
 
        /* If same frequency chosen as previous then done. */
    } while (freq != prevfreq);
 
    return freq;
}

待更新： 在应用频率前，调速器还做了那些事？

2019-10-21待更新

Linux
#linux #android #governor
从安卓探究Linux内核CPU调速器
https://blog.timzhong.top/2019/10/19/android-cpu-governor/
作者
TimZhong
发布于
2019年10月19日
许可协议