Linux devfreq framework 剖析
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 <myungjoo.ham@samsung.com>，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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