浅析 linux 电源配置

一、背景

近期，我们收到用户反馈，在使用 deepin 系统过程中遇到了 CPU 功耗过高导致的设备发热、续航较差情况，而用户在这些负载场景下，CPU 的占用往往不高。为了解决这个痛点，统信软件开源社区中心特别成立专项计划，对于 deepin 的电源进行专项优化，本文旨在针对此问题根因进行分析于说明。

在对电源进行专项优化之前，我们首先对 deepin 系统进行了深入的调查和分析，以了解其在负载场景下的实际运行情况。经过对 CPU 使用率和功耗的监测，我们发现了一个令人惊讶的事实：尽管在高负载场景下 CPU 的占用率不高，但其功耗却持续升高，最终导致设备发热并影响续航。也就是说，我们前期做的省电优化工作，不仅无效，还起了反作用（具体情况作者将在下文作出仔细说明）。

二、问题

1. 内核

最开始发现问题的地方在内核。有用户将我们的内核和 ubuntu 的内核进行对比后发现，虽然我们的系统和 ubuntu 系统的性能差不多，但是在发热和续航上，我们较 ubuntu 落后较多。有用户在 deepin 系统上使用 ubuntu 和其他开源 linux 发行版的配置文件分别编译内核，发现 deepin 的主要问题存在于发热控制之上。我们的测试同事高度重视这一社区反馈，遂对社区用户反馈的问题进行复现，佐证了这一现象。

对于这种问题，我们立即联系了内核研发部的同事，并邀请部分对内核配置有一定研究的社区用户共同参与。在大家的合力排查下，我们发现，deepin v23 中提供的 HWE 内核存在部分 debug 和无用的内核选项被开启的情况，并且部分节电功能实际未能获得启用，这些都在一定程度上导致了 deepin v23 的续航表现不佳。

2. 系统

在系统层面，我重新审视了 dde-daemon 提供的电源调度模块，并且对比内核文档提供的文件接口，分析我们用户使用的电源模式，发现其中存在可以优化的空间。这将是本文着重讲解的内容之一。

三、前置知识

1.ACPI

ACPI 是 Advanced Configuration and Power Interface 的缩写，是一种计算机硬件和操作系统之间交换能源相关信息的接口规范。它定义了计算机硬件的能源相关信息，如电源供应器状态、设备功耗、设备功率因数等。ACPI 是操作系统控制计算机硬件能源管理的标准，同时也是硬件厂商和操作系统之间通信的标准。

在 deepin 系统中，ACPI 负责处理计算机硬件的能源管理，它与 deepin 系统的电源管理模块进行交互，以实现对计算机硬件的能源管理。

在分析系统层面的问题时，我们需要了解 ACPI 和电源管理模块的作用和功能，以及它们是如何协同工作的。在本文中，我们将会详细讲解 ACPI 的工作原理以及 deepin 系统中的电源调度模块工作模式，并提出可行优化建议。

首先，让我们了解一下 ACPI 的工作原理。当计算机硬件发生电源变化时，ACPI 会收集硬件信息，并向操作系统发送电源请求。操作系统收到电源请求后，会根据用户配置自动调整各个硬件的电源策略。而 deepin 系统的电源模块则是帮助用户生成配置来调整 ACPI 的行为。所以在这一方面，我们能做的就是向 ACPI 提供合理的电源策略，在保证性能的同时，降低设备温度并提升续航表现。

2.平台电源配置

• 相关内核文档<https://docs.kernel.org/userspace-api/sysfs-platform_profile.html>
• UEFI ACPI 文档<https://uefi.org/htmlspecs/ACPI_Spec_6_4_html/index.html> 平台电源配置是电源管理模块的一个重要组成部分，它用于管理计算机平台硬件（指所有支持 ACPI 的设备）的电源状态，而 CPU 也是属于 ACPI 设备的一部分。不过 CPU 是计算机的核心发热大户，对于其使用平台电源管理可能粒度较粗，所以 APCI 引入了一些 CPU 独有的性能管理方式，在下一小节将详细说明。

平台电源配置提供了三种可选模式：performance（性能模式），balance（平衡模式），low-power（节能模式）。一般情况下，用户使用平衡模式就可以。在台式机和 mini 主机类（对于功耗和发热没有任何要求）设备上默认提供性能模式，在笔记本等移动设备上默认提供平衡模式。默认不提供节能模式，因为某些 ACPI 设备在节能模式工作过程中可能出现“睡死现象”，所以为了避免此问题，默认不提供 low-power 节电模式。

3.CPU 电源配置

• 传统电源模式（SCalling）内核文档<https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guide/pm/cpufreq.html>
• Intel PState 内核文档<https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guide/pm/intel_pstate.html>
• AMD PState 内核文档<https://docs.kernel.org/admin-guide/pm/amd-pstate.html> 如果有时间，可以自行研读上述电源文档，就很容易理解 CPU 电源配置相关内容。作者在这里的讲述将忽略大量技术细节和实现方式，仅表述如何调整 CPU 的电源模式

在/sys/devices/system/cpu/cpufreq目录下有许多文件名为policy<x>（x 代表核心编号），这些文件对应着你电脑上的 CPU 核心，而 CPU 的电源调度细节就在这些文件夹里面。在policy<x>目录下有一个文件`scaling_driver``,使用 cat 或其他方式访问它，得到的结果就是我们当前使用的调度器：

• intel_cpufreq / acpi_cpufreq : 使用 scaling freq 调度
• intel_pastate : 使用 Intel Pstate 调度
• amd-pstate : 使用 AMD Pstate 调度

 scalling freq 调度

这是最传统的 CPU 调度方式，你可以在 policy文件夹下的 scaling_available_governors 获取可选电源模式：

英文	中文	含义
performance	性能模式	最极致的性能表现，最火热的 CPU 温度，最短的续航。
powersave	节能模式	为绿色地球出一份力。
balance	平衡模式	性能和续航兼顾。小孩子才做选择，我全都要。
schedutil	平衡模式	平衡模式的一种，使用不同算法进行调度。
ondemand	平衡模式	平衡模式的一种，根据当前 CPU 负载动态调整频率。当负载大于阈值时调整到最高频率，其他情况按负载比例计算频率。
conservative	平衡模式	平衡模式的一种，根据当前 CPU 负载动态调整频率。当负载大于最大阈值时步进递增频率，当负载小于最低阈值时步进递减。
userspace	用户模式	以用户指定的频率运行 CPU，可通过/sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/scaling_setspeed 进行配置

你可能好奇，为啥这里有这么多平衡模式，其实这些平衡模式的作用都是是一样的：平衡性能和续航，不过使用的算法可能不同，这里我不做详细说明，我在网络上找到一些详细资料可以参考，有兴趣的朋友可自行查阅：

• oppo 内核团队：schedutil governor 情景分析：http://www.wowotech.net/process_management/schedutil_governor.html
• linux 内核文档：schedutil governor：https://www.kernel.org/doc/html/next/translations/zh_CN/scheduler/schedutil.html
• Arch wiki：https://wiki.archlinux.org/title/CPU_frequency_scaling 我们可以更改 scaling_governors 来更改此核心的电源调度（注意：只能更改为 scaling_available_governors 文件中列出的电源调度，不同电脑可能存在差异）。

 Intel Pstate

这是 Intel 近几代 CPU 独享的 moment，内核开启 intel pstate 后（V23 内核默认开启）你会发现在 policy文件夹下多了几个文件：

我们只需要关注：

• energy_performance_available_perference : 可用的 pstate 电源调度
• energy_performance_perference：当前选定的 pstate 电源调度，可以更改此文件内容来更改电源调度
• 在 Intel Pstate 中出现了两个新的调度方案：
• balance_performance : 平衡偏性能，平时工作频率不高，在负载增大时能快速响应
• balance_power : 平衡偏节能，电源策略较为保守 在部分电脑上还有 default 方案，此方案就是经过 pstate 优化过的 balance 策略。具体 PState 使用的黑魔法以及主动模式和被动模式的调度策略，可以参照内核文档进行分析。

AMD PState

这是 AMD ZEN2 以上用户，以及支持 kernel 6.4.x 用户独享的 moment。其实 AMD 在 6.1 内核已经做了 PState 的支持，不过是被动模式。

• （Actvie Mode）主动模式

  Active Mode 仅在内核版本大于 6.4 以上，且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 内加入启动参数以打开此功能：amd_pstate=active，也可以修改文件实现 Active Mode 的电源策略和 Intel PStatewi 类似。

• （Passive Mode）被动模式

  Passtive Mode 仅在内核大于 6.1 以上，且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 加入启动参数开启此功能：amd_pstate=passive，也可修改文件实现。

  Passive Mode 提供两种电源模式，在/sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor文件进行调整：

  • performance 使用 platform_profile 进行配置，调度积极性较高
  • scheutils 在/sys/device/system/cpu/cpufreq/schedutil/rate_limit_us文件中调整调度粒度（两次调度的间隔时间）和 ACPI 的 scheutils 类/sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor

• （Guided Mode）引导模式

  Guided Mode 仅在内核大于 6.1 以上，且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 加入启动参数开启此功能：amd_pstate=guided，也可修改文件实现。这就类似汽车的自动挡，驱动程序请求最低和最大性能级别，平台自动选择此范围内适合当前工作负荷的性能级别。

4.GPU 电源管理部分

 AMD GPU

如果是 AMD GPU 则需要更改两个文件（使用 tee 命令进行写入）：

• /sys/class/drm/card0/device/power_dpm_state（这是一个遗留接口，目的是向后兼容）
• performance 高性能模式
• balance 平衡模式
• battery 节能模式
• /sys/class/drm/card0/device/power_dpm_force_performance_level

以下设置来自 AMD 官方驱动文档：

https://dri.freedesktop.org/docs/drm/gpu/amdgpu.html#power-dpm-force-performance-level

drm/amdgpu AMDgpu driver — The Linux Kernel  documentation

power_dpm_force_performance_level:

AMD GPU 驱动程序提供了一个 sysfs API，用于调整某些与功率相关的参数。文件 power-dpm-force-performance-level 将用于执行此操作。它接受以下参数：

• auto：当选择 auto 时，设备将尝试针对驱动中的当前条件动态选择最佳功率曲线
• low：当选择低时，GPU 被强制到最低功率状态
• high：当选择高时，GPU 被强制到最高功率状态
• manual：当选择手动时，用户可以通过 sysfs pp_dpm_mclk、pp_dpm_sclk 和 pp_dpm_pcie 文件手动调整每个时钟域启用的电源状态，并通过 pp_power_profile_mode sysfs 文件调整电源状态转换方式。
• profile_standard 固定时钟级别分析模式。此模式将时钟设置为固定级别，该级别因 ASIC 而异。这对于分析特定工作负载很有用（不常用）。
• profile_min_sclk 最小 sclk 分析模式。此模式将 sclk 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用（不常用）。
• profile_min_mclk 最小 mclk 分析模式。此模式将 mclk 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用（不常用）。
• profile_peak 峰值分析模式。此模式将所有时钟（mclk、sclk、pcie）设置为最高级别。这对于分析最大性能的场景很有用（不常用）。

测试：

• LOW 模式的跑分

• auto 模式的跑分

• high 模式的跑分

 Intel GPU

intel GPU 使用的 i915 驱动，并不希望你对其做出调整，因为其驱动自带的电源策略已经足够聪明。不过你也可以通过 intel 提供的 intel-gpu-tools 进行调整和获取信息。

sudo apt install intel-gpu-tools

然后使用

sudo intel_gpu_frequency

来获取当前频率（当前使用的是 Intel A750）

可以看到 intel 的显卡驱动是在 600 MHz 到 2400 MHz 之间动态调整（如上图）

测试笔记本下 intel 核显跑分如下

Nvidia

由于 nvidia 驱动不开源，所以在系统层面无法对其做控制。

四、应用

应用级别的省电，应该就是在保证用户使用流畅度的情前提下下节省性能。之前也有用户提出过，是否能参照 vivo 的 origin3 os 的不公平调度算法来实现优化。毕竟安卓系统的底层也是 linux，理论上实现难度不大。

Cgroups，全称 Control Groups，是 Linux 内核提供的一种资源管理机制，用于对进程分组并对其资源进行限制和隔离。Cgroups 可以用于限制进程的 CPU、内存、磁盘、网络等资源，也可以用于限制进程的优先级和 IO 权限。利用其提供的能力，我们很容易实现类似不公平调度算法（我们新的 AM 天然支持 Cgroups 的操作），但是我还有一些顾虑：

• 不同于手机操作系统，计算机操作系统是多任务并行的，在多数窗口管理器下，我们并没有一个明显的前台应用，此时使用不公平调度可能存在隐患；
• 容易引发人机对抗。在我的观念里面，计算机是为人服务的，那么用户的意志必定是第一优先级，所以我们不应改变用户的行为，如果使用不平衡调度和用户预期不一致，会极大降低用户体验；
• 使用前后台区分应用，可能导致开销和收益比下降，性价比不高。linux 桌面不像安卓设备有明显前后台，那么用户频繁切换应用的操作将导致我们的调度器频繁切换调度，使得开销过大。 我认为最佳的解决方案是：提供能力，但不提供方案。我们可以提供基于 Cgroups 方式修改应用组的优先级，然后让用户自己选择什么应用优先级更高，什么应用优先级低，以实现调度（比如在 dock 上右键选择优先级）或提供一套配置以供用户自由选择。

如果一个电脑需要使用不平衡调度来保证使用流畅性，可能这并不是一个操作系统能解决的问题，而更应该考虑硬件是否需要更换，以保证多任务使用的流畅性。

附录——常用的调试测试工具

1. S-tui

可以看到 CPU 频率变化，配合 stress 可以对 cpu 进行压力测试。

2. intel-gpu-tools

可以使用 intel_gpu_frequency 来获取和调整 i965 的驱动频率。

3. glmark2

GPU 跑分软件。

4. stress-ng

CPU 压力测试软件。

5. powertop

电源测试软件，可以看到电源的功耗和使用情况。