Linux中CPU的低能耗管理技術(shù)分析

摘 要：Linux是一個(gè)優(yōu)秀的開源操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算設(shè)備，如基于X86處理器的臺式機(jī)和筆記本電腦、基于ARM處理器的智能手機(jī)以及各類嵌入式系統(tǒng)。Android系統(tǒng)作為智能手機(jī)中市場占有率最大的手機(jī)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核使用的是Linux。智能手機(jī)依靠鋰電池供電，一次充電后可供使用的電能有限，因此需要在滿足良好用戶體驗(yàn)前提下盡可能地節(jié)省電能的使用。智能手機(jī)有眾多的硬件部件，CPU是消耗電能的大戶。本文簡要分析了Linux中的CPU的以降低電能使用量為目標(biāo)的能耗管理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：Linux;Android;處理器;能耗

基金項(xiàng)目：四川省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號：2019JDR0042）。

1 引言

根據(jù)全球領(lǐng)先的信息技術(shù)研究和顧問公司Gartner發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017年第一至四季度智能手機(jī)的銷售量分別為3.8億臺、3.662億臺、3.83億臺和4.08億臺，全年的總銷售量達(dá)到了15.372億臺。根據(jù)美國加州大學(xué)圣地亞哥分校GreenDroid項(xiàng)目組2009年的調(diào)研報(bào)告，當(dāng)時(shí)上市銷售的基于Android 2.2的HTC G7智能手機(jī)標(biāo)配電池是1400mAh，處理器使用的是高通公司的驍龍QSD8250，主頻只有1GHz，正常使用時(shí)平均功率為0.6W，可連續(xù)工作8.63h，基本上需要一天一充;空閑時(shí)平均功率為0.05W，可正常待機(jī)103.6h，大約為4.32天。若按此耗電量計(jì)算，全年新銷售的智能手機(jī)每天需要消耗的電能是79.62696億瓦時(shí)，即7900000度電。這還不包括在每天在充電過程中由220 伏交流電轉(zhuǎn)換為5伏直流電的過程中的電能損失。2020年上市銷售的小米10手機(jī)，處理器使用的是高通公司的驍龍865，內(nèi)置的電池容量高達(dá)4780mAh，是HTC G7手機(jī)電池容易的3.4倍。手機(jī)的平均更換周期為12個(gè)月，考慮到未來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2020年，90%以上的手機(jī)都將是智能手機(jī)，如果不加以改進(jìn)的話，智能手機(jī)等智能嵌入式系統(tǒng)將占ICT 行業(yè)總電能消耗的25%以上。

此外，智能手機(jī)電池管理對用戶使用體驗(yàn)影響很大。Alex Shye等研究人員通過一個(gè)持續(xù)6個(gè)月、涉及25個(gè)用戶的研究發(fā)現(xiàn)，電池管理是用戶體驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分，包括幾乎是每天一充以及頻繁的低電量指示。對于外出工作或旅游的人，通常會攜帶體積較大的充電寶來臨時(shí)解決低電量的窘境，極大影響了手機(jī)使用的體驗(yàn)。

軟件肆無忌憚地使用CPU計(jì)算資源的日子將終結(jié)，軟件需要以盡可能節(jié)能的方式使用計(jì)算資源，否則會帶來高能耗的后果。1965年，戈登·摩爾（Gordon Moore）提出摩爾定律，同時(shí)也指出“集成電路特征尺寸的縮小，使得在相同的功耗密度下，芯片能更高速地運(yùn)行”。大約10年后，這個(gè)創(chuàng)新途徑被IBM的羅伯特·登納德（Robert Dennard）歸納為“登納德按比例縮小定律”，從而開創(chuàng)了以指數(shù)方式降低器件工作電壓和提高時(shí)鐘頻率的可能性。但是登納德按比例縮小定律在2004年失效，導(dǎo)致CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）邏輯系統(tǒng)出現(xiàn)功耗-頻率危機(jī)。

因此，有效地使用CPU的計(jì)算能力進(jìn)而提高電池電量的使用的有效性變得越來越重要。Linux內(nèi)核提供了一些技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)這一目的。

2 CPU的能耗管理技術(shù)與Linux內(nèi)核的支持

1997年由Intel等公司共同制定了ACPI（Advanced Configuration Power Interface）規(guī)范，它的主要目標(biāo)是使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地管理電源。ACPI定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全局狀態(tài)、設(shè)備電源狀態(tài)和處理器電源狀態(tài)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全局狀態(tài)為G0，G1，G2，G3，其中睡眠狀態(tài)G1又細(xì)分為S1到S4共4種狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)D0，D1，D2，D3是與設(shè)備相關(guān)的狀態(tài)，對用戶來說往往是不可見的。其中D0是工作狀態(tài)，D1，D2是中間狀態(tài)，D3是關(guān)閉狀態(tài)。處理器電源狀態(tài)C0到Cn是指在全局狀態(tài)G0下（只對G0狀態(tài)有效）處理器的狀態(tài)，只有C0狀態(tài)下CPU才會執(zhí)行指令，C1到Cn狀態(tài)下CPU都處于各種不同程度的睡眠狀態(tài)。處理器性能狀態(tài)（即Px狀態(tài)）是在C0狀態(tài)下定義的電源消耗和性能的狀態(tài)。當(dāng)處理器在運(yùn)行時(shí)，它可以處于P狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)中。每一個(gè)P狀態(tài)指明一個(gè)特定的DVFS設(shè)置組合。P狀態(tài)與實(shí)現(xiàn)有關(guān)，但P0始終是最高性能狀態(tài)，而P1到Pn是連續(xù)的較低運(yùn)行性能的狀態(tài)，直到實(shí)現(xiàn)所指定的限制。

在Linux中，CPU處于C0狀態(tài)時(shí)，若當(dāng)前沒有就緒進(jìn)程可供調(diào)度執(zhí)行，則任務(wù)調(diào)度器會調(diào)度空閑任務(wù)來執(zhí)行。CPU在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以根據(jù)需要使用CPU支持的DVFS技術(shù)設(shè)置到不同的運(yùn)行頻率，即不同的P狀態(tài)。在Linux中，空閑任務(wù)是由cpuidle模塊負(fù)責(zé)的，而頻率的調(diào)節(jié)工作是由cpufreq模塊負(fù)責(zé)的。下文以ZTE Blade V880智能手機(jī)所使用的2.6.35版本的Linux內(nèi)核為例，分析這兩個(gè)模塊。

1）cpuidle。cpuidle是一個(gè)通用的內(nèi)核基礎(chǔ)設(shè)施，用于分隔開空閑策略（governors）與空閑機(jī)制（drivers），并提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)設(shè)施來支持governors和drivers的獨(dú)立開發(fā)。cpuidle的總體架構(gòu)如圖1所示。cpuidle core負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)cpuidle的整體框架。cpuidle drivers負(fù)責(zé)idle機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，不同的硬件平臺及CPU會使用不同的cpuidle驅(qū)動(dòng)程序。不同的空閑機(jī)制會帶來不同的能耗效果以及不同的空閑狀態(tài)退出延遲，通常高能耗的空閑狀態(tài)退出延遲較低，而低能耗的空閑狀態(tài)退出延遲較高，這將可能導(dǎo)致用戶體驗(yàn)的不同。

空閑進(jìn)程程序的主函數(shù)是cpu_idle（），它主要工作是間接調(diào)用msm_pm_swfi（）將CPU設(shè)置“等待中斷”低能耗狀態(tài)，直至接收到一個(gè)中斷或調(diào)試請求。

2）cpufreq。當(dāng)CPU在運(yùn)行時(shí)，選擇一個(gè)合適而不是過高的頻率可以需要滿足性能需求又可以降低電能消耗。與cpuidle的結(jié)構(gòu)類似，cpufreq也由core部分，governors部分與drivers部分組成。drivers部分與硬件平臺相關(guān)，使用CPU支持的DVFS技術(shù)進(jìn)行CPU頻率動(dòng)態(tài)設(shè)置。governors提供CPU頻率的選定策略，即使用何種算法來確定合適的CPU頻率。core部分協(xié)調(diào)governors與drivers。在cpufreq中，將CPU執(zhí)行頻率的上下界和使用的governor一起稱為policy。driver部分的注冊由cpufreq_register_driver（）在驅(qū)動(dòng)程序加載時(shí)完成。governor是可以選擇的，可以編寫自己的governor。在drivers＼cpufreq＼makefile編譯文件配置需要編譯到內(nèi)核的governors。內(nèi)核中常見的governor有： Performance，Powersave，Userspace，Ondemand和Conservative。Performance總是將CPU頻率設(shè)置在最高可用頻率上，以達(dá)到最高性能，而與之相反，Powersave總是將頻率設(shè)置在最低頻率，以達(dá)到最低的能耗。Userspace通過sys提供接口供運(yùn)行在用戶空間中的應(yīng)用程序直接設(shè)置CPU的運(yùn)行頻率，為應(yīng)用程序使用自己的頻率設(shè)置算法提供了支持。Ondemand和Conservative在確定CPU頻率時(shí)都依據(jù)定時(shí)檢測的CPU利用率。前者在檢查到利用率超過預(yù)設(shè)的臨界值時(shí)，將設(shè)置CPU運(yùn)行在最高頻率上，否則設(shè)置CPU為當(dāng)前頻率的下一個(gè)更低頻率;后者在檢查到利用率超過預(yù)設(shè)的較高臨界值時(shí)，將設(shè)置CPU運(yùn)行在當(dāng)前頻率的下一個(gè)更高頻率上，而不是直接設(shè)置到最高頻率。一些定制的內(nèi)核還會包括其它的governors，如Interactive、SmartassV2等。

3 結(jié)語

Android系統(tǒng)使用的是Linux內(nèi)核。智能手機(jī)依靠鋰電池供電，一次充電后可供使用的電能有限，因此需要在滿足良好用戶體驗(yàn)前提下盡可能地節(jié)省電能的使用。智能手機(jī)有眾多的硬件部件，CPU是消耗電能的大戶。Linux中CPU的能耗管理技術(shù)，主要是通過cpuidle和cpufreq來實(shí)現(xiàn)的，前者解決在CPU空閑時(shí)設(shè)置CPU到何種低能耗狀態(tài)，后者解決的是CPU在執(zhí)行非空閑任務(wù)時(shí)CPU應(yīng)設(shè)置到何種頻率，以能滿足用戶需求同時(shí)能以最低能耗為代價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1]Linux cpuidle framework（1）_概述和軟件架構(gòu)[OL].http：//www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_overview.html，2020-05-31.

[2]林錦標(biāo).Android移動(dòng)終端的電源管理策略的研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)[碩士論文]，2015.6.

作者簡介

劉云本（1981-），男，漢族，湖北大冶人，講師，碩士學(xué)位，研究方向：綠色計(jì)算。