ARM cpufreq(DVFS)¶

DVFS简介¶

在ARM系统中cpufreq子系统允许动态调节电压和CPU频率(dynamic voltage and frequency scaling, DVFS)，可以影响CPU性能以及电能消耗以适应当前工作负载。

检查CPU系统¶

通过 /proc/cpuinfo 可以查看CPU信息，例如树莓派Raspberry Pi 4 上执行 cat /proc/cpuinfo 可以看到如下输出:

processor: 0
BogoMIPS: 108.00
Features: fp asimd evtstrm crc32 cpuid
CPU implementer: 0x41
CPU architecture: 8
CPU variant: 0x0
CPU part: 0xd08
CPU revision: 3

processor: 1
...
processor: 2
...
processor: 3
...

Hardware: BCM2835
Revision: b03112
Serial: 100000003b6824d7
Model: Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.2

这里 processors 后面的数字表示当前内核的CPU编号，例如 processor: 1 对应的 /sys/ 目录下处理器 /sys/devices/system/cpu/cpu1

CPU part 是从 MIDR_EL1 系统寄存器中读取的CPU主型号，需要查询处理器的技术参考手册来找到对应的部件号，例如:

0xd03 表示 Cortex-A53
0xd07 表示 Cortex-A57 - NVIDIA Jetson 使用的CPU
0xd08 表示 Cortex-A72 - 树莓派Raspberry Pi 4 使用的CPU

备注

在Android手机上执行 cat /proc/cpuinfo 通常会看到多核心采用了不同的处理器架构，也就是常说的大小核。

对于 Jetson Nano 处理器:

processor: 0
model name: ARMv8 Processor rev 1 (v8l)
BogoMIPS: 38.4           0
Features: fp asimd evtstrm aes pmull sha1 sha2 crc32
CPU implementer      : 0x41
CPU architecture: 8
CPU variant: 0x1
CPU part: 0xd07
CPU revi     sion: 1

将进程绑定(pinning)到CPU¶

在Linux中，每个进程的亲和性(affinity)描述了进程在SMP系统中将运行在哪个CPU上，默认是所有CPU，但是我们可以通过 taskset 命令来修改亲和性。

以下案例将 ls /lib 只运行在CPU 5上(Contex_A53_4):
```
taskset -c 5 ls /lib
```
以下案例则只在CPU 1和2上运行(两个Cortex-A57核心):
```
taskset -c 1,2 grep -i joe users.txt
```
以下案例在所有CPU(0-5)上运行命令:
```
taskset -c 0-5 ping 192.0.0.1
```

动态电压和频率调整¶

动态电压和频率调整(Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS)技术可以运行时调整CPU的时钟频率，通过降低时钟频率可以使得处理idle并且降低电能消耗和热量产生。

查看当前CPU 3的时钟频率:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu3/cpufreq/scaling_cur_freq

例如树莓派Raspberry Pi 4 显示600MHz的低压节电频率:

可以检查CPU支持的可用频率:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu3/cpufreq/scaling_available_frequencies

例如树莓派Raspberry Pi 4 显示出有4档处理器频率:

600000 750000 1000000 1500000

手动调整CPU 3的频率:

echo 1000000 > /sys/devices/system/cpu/cpu3/cpufreq/scaling_setspeed

这里遇到报错:

-bash: echo: write error: Invalid argument

这个报错参考 /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_setspeed: Invalid argument 的解释:

sysfs 和 procfs 是内核的接口，通过读写这些分拣来和内核中驱动交互。通常出现 permission denied 则是文件系统权限不足，但是这里的返回是 invalid argument 表明是驱动返回这个错误，很可能是写入数据是驱动不支持的数值范围。

经过测试，我发现树莓派 Raspberry Pi 4不是所有CPU核心都支持 echo 某个CPU频率到 scaling_setspeed ，对于 CPU0 和 CPU1 是支持该指令参数，但是 CPU2 和 CPU3 则不支持。但是，我测试下来即使 echo 指定CPU频率值，例如 echo 1000000 /sys/devices/system/cpu/cpu1/cpufreq/scaling_setspeed ，但是读取 cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq 值依然不是设定值。

Scaling governor(主频调节)¶

内核动态调节主频的规则是通过 cpufreq scaling governor 定义的。

cpu频率调节策略定义了系统CPU的电源管理特性，会直接影响到CPU性能。每个调节策略有自己独特的特性和用途，适合不同的应用环境。

处理器支持的cpu频率调节策略可以通过以下命令检查:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_available_governors

对于树莓派Raspberry Pi 4 有以下cpu频率调节策略:

conservative ondemand userspace powersave performance schedutil

检查当前cpu频率调节策略:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

可以看到默认是按需:

ondemand

上述按需cpu频率策略，在idle时候，cpu频率就是最低的600MHz，我们可以通过:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq

看到输出是:

我们可以调整策略成性能优先:

echo performance > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

然后检查策略:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

输出确实是性能优先:

performance

备注

在树莓派Raspberry Pi 4 和 Jetson Nano 上4个CPU核心的cpu频率调节策略是完全同步的，也就是修改 cpu0 的调节策略会立即在其他cpu核心同步生效。

现在我们检查CPU当前核心频率:

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq

可以看到飙升到最高频率:

我在 Jetson Nano 上调整 scaling_governor 设置成 performance 之后，频率从原先 518400 上升到 1479000

不过设置cpufreq scaling governor为performance可能会带来CPU温度上升。

备注

我在 Raspberry Pi Cluster 中组建 Kubernetes Atlas 集群，希望能够尽可能压榨出处理器性能，所以我设置 governor 都是 performance 。注意，需要配备好散热风扇，并且部署好监控，随时应对处理器国人风险。

governor系统配置¶

虽然可以通过 rc.local 这样的启动脚本来人为设置处理器运行策略，但是最好的方式还是采用系统发行版约定熟成的配置方式。所以，在Ubuntu中，可以采用如下方法:

sudo apt-get install cpufrequtils
echo 'GOVERNOR="performance"' | sudo tee /etc/default/cpufrequtils
sudo systemctl disable ondemand

备注

CPU电源管理对系统性能影响重大，在服务器运维领域，我需要系统学习和整理

参考¶

ARM开发者社区文档:Open source software > Linux/Android > cpufreq(DVFS)