?????? 那么這兩個(gè)問題有沒有解決的方法呢？應(yīng)該講社區(qū)中的開發(fā)人員就第二個(gè)問題比較容易達(dá)成一致，既然在用戶態(tài)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載情況進(jìn)行采集和分析存在這樣那樣的問題，那么更加合理的做法就是應(yīng)該將這部分工作交由內(nèi)核負(fù)責(zé)。但是第一個(gè)問題呢？第一個(gè)問題最直觀的解決方案就是降低對(duì)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行采樣分析的時(shí)間間隔，這樣 powersaved 就能盡早的對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的變化做出及時(shí)的響應(yīng)。然而這種簡(jiǎn)單的降低采樣分析的時(shí)間間隔的方案同樣存在著兩方面的問題，一方面這意味著更加頻繁的用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的數(shù)據(jù)交互，因此必然也就意味著對(duì)系統(tǒng)性能帶來更大的負(fù)面影響；另一方面的主要原因在于當(dāng)時(shí)各個(gè) CPU 生產(chǎn)廠家的變頻技術(shù)在硬件上仍不完善，具體體現(xiàn)就是在對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置時(shí)所需的操作時(shí)間過長(zhǎng)，例如 Intel 早期的 Speedstep 技術(shù)在對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置時(shí)需要耗時(shí) 250 微秒，在此過程中 CPU 無法正常執(zhí)行指令。讀者如果簡(jiǎn)單的計(jì)算一下不難發(fā)現(xiàn)，即使對(duì)于一個(gè)主頻為 1GHz 的 CPU 而言， 250 微秒也意味著 250，000 個(gè)時(shí)鐘周期，在這期間 CPU 完全可以執(zhí)行完上萬條指令。因此從這個(gè)角度而言，簡(jiǎn)單的降低采樣分析的時(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)性能帶來的負(fù)面影響更加嚴(yán)重。幸運(yùn)的是隨著硬件技術(shù)的不斷完善和改進(jìn)，對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置所需的操作時(shí)間已經(jīng)顯著降低，例如 Intel 最新的 Enhanced Speedstep 技術(shù)在對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置時(shí)耗時(shí)已降至 10 微秒，下降了不止一個(gè)數(shù)量級(jí)。正是這種 CPU 硬件技術(shù)的發(fā)展為內(nèi)核開發(fā)人員解決這些早期的遺留問題提供了契機(jī)，Venkatesh 等人提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的名為 ondemand 的 governor ，它正是人們長(zhǎng)期以來希望看到的一個(gè)完全在內(nèi)核態(tài)下工作并且能夠以更加細(xì)粒度的時(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行采樣分析的 governor。在介紹 ondemand governor 的具體實(shí)現(xiàn)之前，我們先來看一下如何使用 ondemand governor 及其向用戶提供了哪些操作接口。通過 cpufreq-set 將 ondemand 設(shè)置為當(dāng)前所使用的 governor 之后，在 /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq 目錄下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為 ondemand 的子目錄

　　$ sudo cpufreq-set -g ondemand

　　$ ls /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ondemand/

　　ignore_nice_load

　　powersave_bias

　　sampling_rate

　　sampling_rate_max

　　sampling_rate_min

　　up_threshold

　　$ sudo cat sampling_rate_min sampling_rate

　　sampling_rate_max

　　40000

　　80000

　　40000000

　　$ sudo cat up_threshold

　　30

　　在這個(gè)子目錄下名字以 sampling 打頭的三個(gè)文件分別給出了ondemand governor 允許使用的最短采樣間隔，當(dāng)前使用的采樣間隔以及允許使用的最長(zhǎng)采樣間隔，三者均以微秒為單位。

　　以筆者的電腦為例， ondemand governor 每隔 80 毫秒進(jìn)行一次采樣。另外比較重要的一個(gè)文件是 up_threshold ，它表明了系統(tǒng)負(fù)載超過什么百分比時(shí)ondemand governor 會(huì)自動(dòng)提高CPU 的運(yùn)行頻率。以筆者的電腦為例，這個(gè)數(shù)值為 30% 。那么這個(gè)表明系統(tǒng)負(fù)載的百分比數(shù)值是如何得到的呢？在支持Intel 最新的 Enhanced Speedstep 技術(shù)的 CPU 中，在處理器硬件中直接提供了兩個(gè) MSR 寄存器（Model Specific Register）供 ondemand governor 采樣分析系統(tǒng)負(fù)載情況使用。這兩個(gè) MSR 寄存器的 名字分別為 IA32_MPERF 和 IA32_APERF［5］ ，其中 IA32_MPERF MSR 中的 MPERF 代表Maximum Performance ， IA32_APERF MSR 中的 APERF 代表Actual Performance 。就像這兩個(gè) MSR 的名字一樣， IA32_MPERF MSR 寄存器是一個(gè)當(dāng) CPU 處在 ACPI C0 狀態(tài)下時(shí)按照 CPU 硬件支持的最高運(yùn)行頻率每隔一個(gè)時(shí)鐘周期加一的計(jì)數(shù)器；IA32_APERF MSR 寄存器是一個(gè)當(dāng) CPU 處在 ACPI C0 狀態(tài)下時(shí)按照 CPU 硬件當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行頻率每隔一個(gè)時(shí)鐘周期加一的計(jì)數(shù)器。有了這兩個(gè)寄存器的存在，再考慮上 CPU 處于ACPI C0 和處于 ACPI C1、C2、C3 三種狀態(tài)下的時(shí)間比例，也就是 CPU 處于工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)的時(shí)間比例， ondemand governor 就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出 CPU 的負(fù)載情況了。

　　得到了 CPU 的負(fù)載情況，接下來的問題就是如何選擇 CPU 合適的運(yùn)行頻率了。剛剛在前面提到，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過up_threshold 所設(shè)定的百分比時(shí)， ondemand governor 將會(huì)自動(dòng)提高 CPU 的運(yùn)行頻率，但是具體提高到哪個(gè)頻率上運(yùn)行呢？在 ondemand governor 監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)負(fù)載超過 up_threshold所設(shè)定的百分比時(shí)，說明用戶當(dāng)前需要 CPU 提供更強(qiáng)大的處理能力，因此 ondemand governor 會(huì)將CPU設(shè)置在最高頻率上運(yùn)行，這一點(diǎn)社區(qū)中的開發(fā)人員和廣大用戶都沒有任何異議。但是當(dāng) ondemand governor 監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)負(fù)載下降，可以降低 CPU 的運(yùn)行頻率時(shí)，到底應(yīng)該降低到哪個(gè)頻率呢？ ondemand governor 的最初實(shí)現(xiàn)是在可選的頻率范圍內(nèi)調(diào)低至下一個(gè)可用頻率，例如筆者使用的 CPU 支持三個(gè)可選頻率，分別為 1.67GHz、 1.33GHz 和 1GHz ，如果 CPU 運(yùn)行在 1.67GHz 時(shí)ondemand governor 發(fā)現(xiàn)可以降低運(yùn)行頻率，那么 1.33GHz 將被選作降頻的目標(biāo)頻率。這種降頻策略的主導(dǎo)思想是盡量減小對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，從而不會(huì)使得系統(tǒng)性能在短時(shí)間內(nèi)迅速降低以影響用戶體驗(yàn)。但是在 ondemand governor 的這種最初實(shí)現(xiàn)版本在社區(qū)發(fā)布后，大量用戶的使用結(jié)果表明這種擔(dān)心實(shí)際上是多余的， ondemand governor 在降頻時(shí)對(duì)于目標(biāo)頻率的選擇完全可以更加激進(jìn)。因此最新的 ondemand governor 在降頻時(shí)會(huì)在所有可選頻率中一次性選擇出可以保證 CPU 工作在 80% 以上負(fù)荷的頻率，當(dāng)然如果沒有任何一個(gè)可選頻率滿足要求的話則會(huì)選擇 CPU 支持的最低運(yùn)行頻率。大量用戶的測(cè)試結(jié)果表明這種新的算法可以在不影響系統(tǒng)性能的前提下做到更高效的節(jié)能。在算法改進(jìn)后， ondemand governor 的名字并沒有改變，而 ondemand governor 最初的實(shí)現(xiàn)也保存了下來，并且由于其算法的保守性而得名conservative 。

　　支持 Intel Enhanced Speedstep 技術(shù)的 CPU 驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)前文在討論cpufreq 的軟件結(jié)構(gòu)時(shí)已經(jīng)指出， cpufreq 從設(shè)計(jì)上將 CPU 變頻的 policy 與mechanism 分離開來并由上層的governor 負(fù)責(zé)決定 CPU 合適的工作頻率。但是在governor根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化決定調(diào)整 CPU 的運(yùn)行頻率時(shí)，最終還是需要底層與 CPU 相關(guān)的特定驅(qū)動(dòng)程序完成設(shè)置 CPU 運(yùn)行頻率的任務(wù)。這里向讀者介紹一下支持 Intel 最新的Enhanced Speedstep 技術(shù)的 CPU 驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)原理，關(guān)注的重點(diǎn)是如何對(duì) CPU 進(jìn)行變頻設(shè)置。實(shí)際上支持 Intel Enhanced Speedstep 技術(shù)的處理器為用戶提供了非常簡(jiǎn)單的編程接口，對(duì) CPU 運(yùn)行頻率進(jìn)行設(shè)置是通過一個(gè)名為 IA32_PERF_CTL 的MSR 寄存器進(jìn)行的，另外還有一個(gè)名為 IA32_PERF_STATUS 的MSR 寄存器可供檢查 CPU 當(dāng)前所處的運(yùn)行頻率。當(dāng)用戶需要對(duì)CPU 運(yùn)行頻率進(jìn)行設(shè)置時(shí)只需按照 Intel 開發(fā)手冊(cè)的說明向IA32_PERF_CTL MSR 寄存器中寫入規(guī)定的數(shù)值即可。

　　總結(jié)及未來的發(fā)展方向

　　本文為讀者介紹了變頻技術(shù)在 CPU 硬件上的出現(xiàn)以及 Linux 內(nèi)核中最初的實(shí)現(xiàn)存在的各種問題，并由此導(dǎo)致了 cpufreq 這一新的內(nèi)核子系統(tǒng)的誕生。雖然早期的cpufreq模塊所提供的三種 governors 能夠在一定程度下滿足用戶的需要并且提供了一定的靈活性，但是由于受到當(dāng)時(shí) CPU 硬件技術(shù)水平的限制，仍然有很多不盡如人意的地方。之后隨著 CPU 變頻硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是 Intel Enhanced Speedstep 技術(shù)的出現(xiàn)，原有的技術(shù)障礙被打破，隨之而來的是 cpufreq 內(nèi)核子系統(tǒng)有了一個(gè)全新的更加完善而高效的 ondemand governor 。

　　由此不難看出，內(nèi)核中的 cpufreq 子系統(tǒng)是由于 CPU 硬件變頻技術(shù)的出現(xiàn)而出現(xiàn)，同時(shí)也在隨著 CPU 硬件變頻技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。這其實(shí)也預(yù)示著內(nèi)核中 cpufreq 子系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，即繼續(xù)跟隨 CPU 硬件變頻技術(shù)的發(fā)展腳步與時(shí)俱進(jìn)。在本文的最后簡(jiǎn)單為讀者介紹一下在 Intel 最新的 CPU 中針對(duì)硬件變頻支持的一項(xiàng)新技術(shù)。前文提到在支持 Intel 最新的Enhanced Speedstep 技術(shù)的 CPU 中提供了名字分別為IA32_MPERF 和 IA32_APERF 的兩個(gè) MSR 寄存器，以便為cpufreq 模塊所使用的 governor 動(dòng)態(tài)收集系統(tǒng)的負(fù)載情況提供直接的硬件支持。其中 IA32_APERF MSR 寄存器當(dāng) CPU 處在ACPI C0 狀態(tài)下時(shí)按照 CPU 硬件當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行頻率每隔一個(gè)時(shí)鐘周期加一。 Intel 最新的處理器中進(jìn)一步考慮了CPU 在運(yùn)行過程中由于訪問內(nèi)存或 IO 等原因可能會(huì)出現(xiàn)流水線停擺的狀況時(shí)， IA32_APERF 以前這種簡(jiǎn)單的按照 CPU 當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行頻率每隔一個(gè)時(shí)鐘周期加一的做法并不能完全準(zhǔn)確的反映CPU 的負(fù)載情況。在 Intel 最新的處理器中如果出現(xiàn)流水線停擺的情況， IA32_APERF 將暫時(shí)停止累加，而是在對(duì)用戶真正“有用”的時(shí)間周期才會(huì)遞增，這樣 CPU 硬件就可以為cpufreq 模塊所使用的 governor 提供比以前更加準(zhǔn)確的系統(tǒng)負(fù)載統(tǒng)計(jì)信息。