Linux电源管理策策略——Intel CPU

针对 Intel 的 CPU 电源策略的考虑：

P-State,C-State 分别意味着什么?
为什么调整 CPU 的 P-State 并添加负载，CPU 状态会调整回来。
是 Linux 调整，还是 CPU 自己调整的，C-State 是 OS 在调整

1 基本概念

1.1 C-State and P-State

P-state 是指处理器状态（processor state），也被称为处理器频率或电压状态。它指的是处理器在不同工作负载下采用的电压和频率的组合，以达到最佳的性能和能耗平衡。

C-state 是指 CPU 状态（CPU state），也被称为睡眠状态。它指的是处理器在空闲或轻负载状态下进入的低功耗状态，以节省能量并减少发热，延长处理器的寿命。C-state 的级别越高，功耗越低，但唤醒需要更多的时间和资源。

1.2 Linux 功耗管理策略

1.2.1 管理策略

在 kernel doc 的Power Management Strategies里面,intel 的开发人员介绍了当前 Linux kernel 支持的两类高层的功耗管理策略:

系统范围的功耗管理(System-Wide power management)
工作状态的功耗管理(Working-State Power Management)

他举了一个例子，这两个电源策略负责处理不同的工作场景，比如离开笔记本电脑（关闭盖子）时，就会启动 System-Wide power management 策略控制系统进入睡眠状态，让大部分组件空闲下来，降低系统功耗。而在打开笔记本进行工作时应当用 Working-State Power Management 来动态管理功耗变换。

1.2.1 System-Wide power management

这个策略主要在管理电脑的睡眠状态,根据文档介绍，在目前 Linux kernel 中支持4 种系统睡眠状态,包含休眠和 3 种系统挂起的变体。

suspend-to-idle,这个模式就是通过冻结用户空间，暂停计时并将所有 IO 设备置于低功耗状态。
standby,除了冻结用户空间，暂停计时并将所有 IO 设备置于低功耗状态之外，nonboot 的 cpu 将会 offline,在转换到这个状态后所有底层的系统函数将会暂停/挂起。因此这个状态会更加解决能耗，但恢复到工作状态的时间就会更久了。
suspend-to-ram,这个状态下，设备和 CPU 的状态都被写入 RAM，系统所有的组都会处于低功耗状态,内核的控制权将会在转换到从 S2RAM 后交回 BIOS。
hibernation,休眠状态下，内核将还会停止所有系统活动，并创建内存快照存入磁盘。写入磁盘后，系统进入目标低功耗状态或者关闭电源。如果需要唤醒，就需要重新引导内行人，并加载内存快照恢复到休眠前。

1.2.2 Working-State Power Management

这个管理模式下主要分为两个部分CPU Idle Time Management和CPU Performance Scaling。

1.2.2.1 CPU Idle Time Management

这个就是 C-State 的概念吧
这里文档中指出了 CPU Idle 的概念，对于类似英特尔的 CPU 的超线程技术，一个核心中可能存在多个硬件线程(Logical CPU,或简称 CPU)，如果某核心中一个线程被要求进入空闲状态，那么该线程（CPU）就会进入空闲状态，除非同一个核心内的其他硬件线程也要求进入空闲状态，那么整个核心都会空闲，否则整个核心中不会发生其他状况。

空闲循环任务
正常的 CPU 进入空闲状态，就给 CPU 一个空闲循环任务。空闲循任务的执行需要两个主要步骤：

调用CPUIdle子系统去选择一个 idle state 给 CPU 进入。
调用CPUIdle子系统的一个代码模块（驱动模块），实际请求处理器硬件进入governor选择进入的状态。governor 的作用是找到最适合当前条件的空闲状态。

Tickless
简单来说，CPU 会配置一个 scheduler tick 作为计时器来决定 CPU 调度的时分共享策略。意味着每个任务都会被分配一段 CPU 时间来运行代码，时间结束后就会切换热舞，空闲 CPU 的空闲任务来说这是有问题的。因为计时器的触发时相对频繁的，而计时器频繁地请求目标 CPU 唤醒并再次进入空闲状态，这会导致 CPU 的空闲状态不超过 tick 周期，这样会发生能耗浪费。内核中可以配置 tickless 参数让 CPU 空闲时停止 tick 触发来使得系统更节能。如果系统支持 tickless，则使用menu governor 否则使用ladder。

一般有 4 中可用的CPUIdle governors，分别是menu,TEO,ladder和haltpoll。

1.2.2.2 CPU Performance Scaling

这个概念就是指的是 P-State,指的是让 CPU 以多种不同的时钟频率和电压配置运行。
Linux 内核中用CPUFreq子系统支持 CPU 的性能缩放，它包含了 3 个层次的代码: the core, scaling governors 和 scaling drivers。

the core,提供了公共的用户接口和基础代码，定义了基本框架。
scaling governors, 实现估计 CPU 容量的算法。
scaling drivers 直接和硬件交互，根据 scaling governors 的请求改变 CPU 的 P-State。

2 状态控制和负载控制

docker run -it --privileged --hostname cpuload --name cpuload ubuntu:20.04 /bin/bash

# 安装modprobe
apt-get install kmod -y
# 安装cpu-power指令,https://manpages.debian.org/testing/linux-cpupower/index.html
apt-get install linux-tools-common linux-tools-$(uname -r)
# cpupower --help

/sys/devices/system/cpu/cpu<N>/cpuidle/

2.1 CPUIdle (C-State)

Ubuntu

cpu-idle 的控制启用和禁用 c-state，不能指定 cpu 立刻进入某个 c-state

idle-info

# --cpu 指定cpu
cpupower --cpu 0 idle-info

结果输出

latency,Exit latency of the idle state in microseconds.
usage,Total number of times the hardware has been asked by the given CPU to enter this idle state.

CPUidle driver: intel_idle
CPUidle governor: menu
analyzing CPU 0:

Number of idle states: 4
Available idle states: POLL C1 C1E C6
POLL:
Flags/Description: CPUIDLE CORE POLL IDLE
Latency: 0
Usage: 4338722
Duration: 32917820
C1:
Flags/Description: MWAIT 0x00
Latency: 2
Usage: 202782261
Duration: 9259454371
C1E:
Flags/Description: MWAIT 0x01
Latency: 10
Usage: 126552375
Duration: 31762469023
C6:
Flags/Description: MWAIT 0x20
Latency: 133
Usage: 708330302
Duration: 3409706493833

idle-set

# 启用所有的idle-sate
cpupower --cpu 15 idle-set --enable-all
# 禁用 POLL
cpupower --cpu 15 idle-set --disable POLL
cpupower -c 15 frequency-info

输出结果中 POLL 已经被禁用.

CPUidle driver: intel_idle
CPUidle governor: menu
analyzing CPU 15:

Number of idle states: 4
Available idle states: POLL C1 C1E C6
POLL (DISABLED) :
Flags/Description: CPUIDLE CORE POLL IDLE
Latency: 0
Usage: 5442095
Duration: 27783830
C1:
Flags/Description: MWAIT 0x00
Latency: 2
Usage: 227929586
Duration: 9066384859
C1E:
Flags/Description: MWAIT 0x01
Latency: 10
Usage: 144210011
Duration: 29640193014
C6:
Flags/Description: MWAIT 0x20
Latency: 133
Usage: 292763623
Duration: 3842674571060

2.2 CPUFreq (P-State)

Ubuntu

frequency-info

# -c/--cpu 指定cpu编号
cpupower -c 0 frequency-info

输出中提供了 CPU 的maximum transition latency,hardware limits,available cpufreq governors,current CPU frequency

analyzing CPU 0:
driver: intel_pstate
CPUs which run at the same hardware frequency: 0
CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
maximum transition latency:  Cannot determine or is not supported.
hardware limits: 1000 MHz - 3.20 GHz
available cpufreq governors: performance powersave
current policy: frequency should be within 1000 MHz and 3.20 GHz.
                The governor "powersave" may decide which speed to use
                within this range.
current CPU frequency: Unable to call hardware
current CPU frequency: 2.04 GHz (asserted by call to kernel)
boost state support:
    Supported: yes
    Active: yes

frequency-set

# 可用cpufreq-set --help查看flags
# 设置最小2.0GHz频率,最大2.5GHzx频率
cpupower --cpu 15 frequency-set --min 2.0GHz --max 2.5GHz
# 当前策略选择
cpupower -c 15 frequency-info

输出结果可见，current policy显示了我们的参数值，同时观察了其他 CPU，并无变化。

analyzing CPU 15:
driver: intel_pstate
CPUs which run at the same hardware frequency: 15
CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 15
maximum transition latency:  Cannot determine or is not supported.
hardware limits: 1000 MHz - 3.20 GHz
available cpufreq governors: performance powersave
current policy: frequency should be within 2.00 GHz and 2.50 GHz.
                The governor "performance" may decide which speed to use
                within this range.
current CPU frequency: Unable to call hardware
current CPU frequency: 2.24 GHz (asserted by call to kernel)
boost state support:
    Supported: yes
    Active: yes

2.3 Workload (Utilization)

基于该工具实现了 CPU 负载生成:https://github.com/SheepHuan/cpuload

3 实验观察

设置了 3 个实验，这里我们无法设置确定的频率。在Intel(R) Xeon(R) Gold 5120 CPU实验的。

设置 cpu50,利用率 15%,频率在 2.4GHz-2.5GHz；cpu52，利用率 95%，频率在 2.4GHz-2.5GHz。

图 3-1
设置 cpu50,利用率 15%,频率在 2.499GHz-2.5GHz；cpu52，利用率 95%，频率在 2.499GHz-2.5GHz。

图 3-2
设置 cpu50,利用率 15%,频率在 0.9GHz-1.0GHz；cpu52，利用率 95%，频率在 2.4GHz-2.5GHz。

图 3-3

图 3-1 中基本上 cpu52 的频率稳定在 2.5GHz，没有什么波动，但是 cpu50 的频率在 2.4GHz 来回波动。说明 2.4GHz 的频率来说对于利用率 15%来说太高了。
图 3-2 中我们进一步限制频率范围 cpu50 的波动更大了，cpu52 和之前没什么区别。
图 3-3 中，我们将 cpu50 的频率降低后，我们发现 cpu50 频率能够稳定在 1.0GHz 了，但是两端出现了大幅度波动，不知道是不是因为还有其他进程调用了还是有其他原因。
在图 3-1,2,3 中，我们发现 utilization 的数值并不稳定，这个地方还要分析下为什么，检查下负载生成的部分是不是实现的不好（TODO）。

4 资料

https://docs.kernel.org/admin-guide/pm/working-state.html

posted @ 2023-05-29 15:46 SheepHuan 阅读(1879) 评论(0) 编辑收藏举报

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Linux电源管理策策略——Intel CPU

1 基本概念

1.1 C-State and P-State

1.2 Linux 功耗管理策略

1.2.1 管理策略

1.2.1 System-Wide power management

1.2.2 Working-State Power Management

1.2.2.1 CPU Idle Time Management

1.2.2.2 CPU Performance Scaling

2 状态控制和负载控制

2.1 CPUIdle (C-State)

Ubuntu

2.2 CPUFreq (P-State)

Ubuntu

2.3 Workload (Utilization)

3 实验观察

4 资料

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