linux cpufreq framework(4)_cpufreq governor
1. 前言
由“linux cpufreq framework(3)_cpufreq core”的描述可知，cpufreq policy负责设定cpu调频的一个大致范围，而cpu的具体运行频率，则需要由相应的cufreq governor决定（可自行调节频率的CPU除外，后面会再详细介绍）。那到底什么是cpufreq governor？它的运行机制是什么？这就是本文要描述的内容。
2. cpufreq governor的实现
2.1 struct cpufreq_governor
kernel通过struct cpufreq_governor抽象cpufreq governor，如下：
1: /* include/linux/cpufreq.h */
2: struct cpufreq_governor {
3: char name[CPUFREQ_NAME_LEN];
4: int initialized;
5: int (*governor) (struct cpufreq_policy *policy,
6: unsigned int event);
7: ssize_t (*show_setspeed) (struct cpufreq_policy *policy,
8: char *buf);
9: int (*store_setspeed) (struct cpufreq_policy *policy,
10: unsigned int freq);
11: unsigned int max_transition_latency; /* HW must be able to switch to
12: next freq faster than this value in nano secs or we
13: will fallback to performance governor */
14: struct list_head governor_list;
15: struct module *owner;
16: };name，该governor的名称，唯一标识某个governor。
initialized，记录governor是否已经初始化okay。
max_transition_latency，容许的最大频率切换延迟，硬件频率的切换必须小于这个值，才能满足需求。
governor_list，用于将该governor挂到一个全局的governor链表（cpufreq_governor_list）上。
show_setspeed和store_setspeed，回忆一下“linux cpufreq framework(3)_cpufreq core”所描述的“scaling_setspeed ”，有些governor支持从用户空间修改频率值，此时该governor必须提供show_setspeed和store_setspeed两个回调函数，用于响应用户空间的scaling_setspeed请求。
governor，cpufreq governor的主要功能都是通过该回调函数实现，该函数借助不同的event，以状态机的形式，实现governor的启动、停止等操作，具体请参考后续的描述。
2.2 governor event
kernel将governor的控制方式抽象为下面的5个event，cpufreq core在合适的时机（具体参考下面第3章的介绍），以event的形式（.governor回调），控制governor完成相应的调频动作。
1: /* include/linux/cpufreq.h */
2:
3: /* Governor Events */
4: #define CPUFREQ_GOV_START 1
5: #define CPUFREQ_GOV_STOP 2
6: #define CPUFREQ_GOV_LIMITS 3
7: #define CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT 4
8: #define CPUFREQ_GOV_POLICY_EXIT 5CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT，policy启动新的governor之前（通常在cpufreq policy刚创建或者governor改变时）发送。governor接收到这个event之后，会进行前期的准备工作，例如初始化一些必要的数据结构（如timer）等。并不是所有governor都需要这个event，后面如果有时间，我们以ondemand governor为例，再介绍它的意义。
CPUFREQ_GOV_START启动governor。
CPUFREQ_GOV_STOP、CPUFREQ_GOV_POLICY_EXIT，和前面两个event的意义相反。
CPUFREQ_GOV_LIMITS，通常在governor启动后发送，要求governor检查并修改频率值，使其在policy规定的有效范围内。
2.3 governor register
所有governor都是通过cpufreq_register_governor注册到kernel中的，该接口比较简单，查找是否有相同名称的governor已经注册，如果没有，将这个governor挂到全局的链表即可，如下：
1: int cpufreq_register_governor(struct cpufreq_governor *governor)
2: {
3: int err;
4:
5: if (!governor)
6: return -EINVAL;
7:
8: if (cpufreq_disabled())
9: return -ENODEV;
10:
11: mutex_lock(&cpufreq_governor_mutex);
12:
13: governor->initialized = 0;
14: err = -EBUSY;
15: if (__find_governor(governor->name) == NULL) {
16: err = 0;
17: list_add(&governor->governor_list, &cpufreq_governor_list);
18: }
19:
20: mutex_unlock(&cpufreq_governor_mutex);
21: return err;
22: }
23: EXPORT_SYMBOL_GPL(cpufreq_register_governor);3 governor相关的调用流程
3.1 启动流程
“linux cpufreq framework(3)_cpufreq core”中介绍过，添加cpufreq设备时，会调用cpufreq_init_policy，该接口的主要功能是为当前的cpufreq policy分配并启动一个cpufreq governor，如下：
1: static void cpufreq_init_policy(struct cpufreq_policy *policy)
2: {
3: struct cpufreq_governor *gov = NULL;
4: struct cpufreq_policy new_policy;
5: int ret = 0;
6:
7: memcpy(&new_policy, policy, sizeof(*policy));
8:
9: /* Update governor of new_policy to the governor used before hotplug */
10: gov = __find_governor(per_cpu(cpufreq_cpu_governor, policy->cpu));
11: if (gov)
12: pr_debug("Restoring governor %s for cpu %d\n",
13: policy->governor->name, policy->cpu);
14: else
15: gov = CPUFREQ_DEFAULT_GOVERNOR;
16:
17: new_policy.governor = gov;
18:
19: /* Use the default policy if its valid. */
20: if (cpufreq_driver->setpolicy)
21: cpufreq_parse_governor(gov->name, &new_policy.policy, NULL);
22:
23: /* set default policy */
24: ret = cpufreq_set_policy(policy, &new_policy);
25: if (ret) {
26: pr_debug("setting policy failed\n");
27: if (cpufreq_driver->exit)
28: cpufreq_driver->exit(policy);
29: }
30: }9~13行：首先查看是否在hotplug之前最后使用的governor（保存在per cpu的全局变量cpufreq_cpu_governor中），如果有，则直接使用这个governor。
14~15行：如果没有，则使用默认的governor—-CPUFREQ_DEFAULT_GOVERNOR，该governor在include/linux/cpufreq.h中定义，可以通过kernel配置项选择，可选的governor包括performace、powersave、userspace、ondmand和conservative五种。
20~21行：如果cpufreq driver提供了setpolicy接口，则说明CPU可以在policy指定的有效范围内，确定具体的运行频率，因此不再需要governor确定运行频率。但如果此时的governor是performace和powersave两种，则有必要通知到cpufreq driver，以便它的setpolicy接口可以根据实际情况正确设置频率范围。怎么通知呢？通过struct cpufreq_policy结构中的policy变量（名字很费解啊！），可选的值有两个，CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE和CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE。
24行：调用cpufreq_set_policy，启动governor，代码如下。
1: static int cpufreq_set_policy(struct cpufreq_policy *policy,
2: struct cpufreq_policy *new_policy)
3: {
4: ...
5: if (cpufreq_driver->setpolicy) {
6: policy->policy = new_policy->policy;
7: pr_debug("setting range\n");
8: return cpufreq_driver->setpolicy(new_policy);
9: }
10:
11: if (new_policy->governor == policy->governor)
12: goto out;
13:
14: pr_debug("governor switch\n");
15:
16: /* save old, working values */
17: old_gov = policy->governor;
18: /* end old governor */
19: if (old_gov) {
20: __cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_STOP);
21: up_write(&policy->rwsem);
22: __cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_POLICY_EXIT);
23: down_write(&policy->rwsem);
24: }
25:
26: /* start new governor */
27: policy->governor = new_policy->governor;
28: if (!__cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT)) {
29: if (!__cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_START))
30: goto out;
31:
32: up_write(&policy->rwsem);
33: __cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_POLICY_EXIT);
34: down_write(&policy->rwsem);
35: }
36:
37: /* new governor failed, so re-start old one */
38: pr_debug("starting governor %s failed\n", policy->governor->name);
39: if (old_gov) {
40: policy->governor = old_gov;
41: __cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT);
42: __cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_START);
43: }
44:
45: return -EINVAL;
46:
47: out:
48: pr_debug("governor: change or update limits\n");
49: return __cpufreq_governor(policy, CPUFREQ_GOV_LIMITS);
50: }5
9行，对应上面2021行的逻辑，如果有setpolicy接口，则直接调用，不再进行后续的governor操作，因此使用CPUFREQ_POLICY_PERFORMANCE和CPUFREQ_POLICY_POWERSAVE两个值，变相的传递governor的信息。11~12行，如果新旧governor相同，直接返回。
19~24行，如果存在旧的governor，停止它，流程是：
CPUFREQ_GOV_STOP—->CPUFREQ_GOV_POLICY_EXIT
剩余的代码：启动新的governor，流程是：CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT—->CPUFREQ_GOV_START—->CPUFREQ_GOV_LIMITS
3.2 调频流程
前面已经多次提到基于cpufreq governor的调频思路，这里再总结一下：
1）有两种类型的cpu：一种只需要给定调频范围，cpu会在该范围内自行确定运行频率；另一种需要软件指定具体的运行频率。
2）对第一种cpu，cpufreq policy中会指定频率范围policy->{min, max}，之后通过setpolicy接口，使其生效即可。
3）对第二种cpu，cpufreq policy在指定频率范围的同时，会指明使用的governor。governor在启动后，会动态的（例如启动一个timer，监测系统运行情况，并根据负荷调整频率），或者静态的（直接设置为某一个合适的频率值），设定cpu运行频率。
kernel document对这个过程有详细的解释，如下：
Documentation\cpu-freq\governors.txt
CPU can be set to switch independently | CPU can only be set
within specific “limits” | to specific frequencies“CPUfreq policy”
consists of frequency limits (policy->{min,max})
and CPUfreq governor to be used
/ \
/ \
/ the cpufreq governor decides
/ (dynamically or statically)
/ what target_freq to set within
/ the limits of policy->{min,max}
/ \
/ \
Using the ->setpolicy call, Using the ->target/target_index call,
the limits and the the frequency closest
“policy” is set. to target_freq is set.
It is assured that it
is within policy->{min,max}
4 常用的governor介绍
最后，我们介绍一下kernel中常见的cpufreq governor。
1）Performance
性能优先的governor，直接将cpu频率设置为policy->{min,max}中的最大值。
2）Powersave
功耗优先的governor，直接将cpu频率设置为policy->{min,max}中的最小值。
3）Userspace
由用户空间程序通过scaling_setspeed文件修改频率。
4）Ondemand
根据CPU的当前使用率，动态的调节CPU频率。
5）Conservative
类似Ondemand，不过频率调节的会平滑一下，不会忽然调整为最大值，又忽然调整为最小值。
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