（计算机科学与技术专业论文）基于龙芯的操作系统级电源管理策略的研究与设计.pdf

l i i l lli iit 1 1 i l l lt i l ii iiii y 18 7 5 7 9 7 r e s e a r c ha n dd e s i g no fp o w e r m a n a g e m e n tp o l i c i e so no p e r a t i n g s y s t e ml a y e rf o rl o o n g s o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i nz h i q i a n g s u p e r v i s o r ：w us h a o g a n g c o l l e g eo fc o m p u t e r & c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 性c 、 ，参 l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：趵，f 年乡月多秒日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 盔! 垫耋塞 指导教师签名： 是尘园 日期：压i1 年罗月岁p 日 日期：少ff 年岁月弓7 日 摘要 计算机系统的能量消耗在全球的所有耗能设备中占据着举足轻重的地位，功耗成为 企业和用户选购计算机的一个重要参考因素。龙芯计算机采用我国自主研制的龙芯处理 器生产而成，其性能一直受到业界的关注，但是，功耗的优越与否同样关系到其普及程 度的又一关键指标。 计算机系统的功耗并不仅仅局限于某个设备，而是分布于各个功能设备中，这就形 成了针对不同设备的不同节能方法。研究计算机节能方法的关键点在于找出关键的耗能 设备，并分析对其节能的可能性。本文在测量龙芯计算机功耗分布的结果后，得出要对 龙芯2 f 处理器采取电源管理策略的研究目标。龙芯2 f 处理器支持多种频率运行级别， 可以根据不同的处理器负载来动态调节处理器的工作频率，这有利于节能。 c p u f r e q 子系统是l i n u x 内核中所提供的c p u 动态变频的框架，每种处理器都能 够根据该框架实现自己的变频驱动。本文的后续任务就在于分析了c p u f r e q 子系统的运 行流程、关键的数据结构和函数接口，并介绍了该系统所提供的五种调控器的不同特点， 最终结合龙芯2 f 处理器自身的特性，设计并实现了c p u f r e q 所提供的变频驱动。 在本文的最后一章，根据所实现的c p u f r e q 变频驱动，给出具体的访问操作命令， 并对其节能效果通过实际测试和模拟测试两种方法做了验证。两种测试结果均表明： c p u f r e q 驱动的实现相比让c p u 一直处于最高性能状态具有一定的优越性，特别是当 c p u 支持自动电压调节时，该优势将更加明显。最后，在结论这一章节中，本文对c p u 节能方法提出了一些展望。 本文的工作使得龙芯计算机顺利通过了国家节能产品认证。 关键词：电源管理；龙芯；c p u f r e q - 7 ：系统；驱动；时钟源 卜 ， r e s e a r c ha n dd e s i g no fp o w e rm a n a g e m e n tp o l i c i e so no p e r a t in gs y s t e m l a y e rf o rl o o n g s o n l i nz h i q i a n g ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw us h a o g a n g a b s t r a c t e n e r g yc o n s u m p t i o n o fc o m p u t e rs y s t e mi sg l o b a l l y c o u n tf o rm u c hi na l l e n e r g y i n t e n s i v ed e v i c e s ，p o w e ri sb e c o m i n g a l li m p o r t a n tr e f e r e n c ef a c t o rw h e nc o r p o r a t i o n s o rc u s t o m e r sp u r c h a s i n gc o m p u t e r s l o o n g s o nc o m p u t e r sw h i c hu s e dp r o c e s s o r sr e s e a r c h e d b yo u ro w nc o u n t r ya r ec o n c e r n e d f o ri t sp e r f o r m a n c e ，b u ti t sp o w e ra d v a n t a g e sa l s o b e c o m i n ga np a r a m e t e rk e yf o rt h ep u r p o s eo f i t sw i d e s p r e a d i nc o m p u t e r s y s t e m ，p o w e rc o n s u m p t i o ni s n t r e s t r i c t e dt oo n ed e v i c eo n l y , b u t d i s t r i b u t e di na l ld e v i c e si no n ec o m p u t e r t h u s ，t h e r ea r em a n ye n e r g y s a v i n gw a y ss p e c i f i c t od i f f e r e n td e v i c e s t h ek e yp o i n to fr e s e a r c h i n ge n e r g y s a v i n gw a y so fc o m p u t e ri st of i n d o u tt h ec r i t i c a ld e v i c ei np o w e rc o n s u m p t i o n ，a n da n a l y z et h ep o s s i b i l i t yo fr e s e a r c h i n gf o ri t a f t e rm e a s u r e dt h ep o w e rd i s t r i b u t i o no fl o o n g s o nc o m p u t e ri nt h i st h e s i s ，w eo b t a i n e da r e s e a r c h i n gp o i n to fp o w e rm a n a g e m e n tp o l i c i e sw i t hl o o n g s o n2 fp r o c e s s o r l o o n g s o n2 f p r o c e s s o rs u r p p o r tf o rr u n n i n g a t m a n yd i f f e r e n tf e q u e n c y l e v e l s ，w e c a nr e g u l a t et h e p r o c e s s o r sf r e q u e n c yd y n a m i c a l l y a s s o c i m e dw i t hi t sw o r k l o a d ，t h i sw i l lm a k ef o r e n e r g y - s a v i n g c p u f r e qs u b s y s t e mi saf r a m e w o r ki nl i n u xk e r n e l ，i tc a nm a k et h ec p uf r e q u e n c y c h a n g e dd y n a m i c a l l y , e a c hp r o c e s s o rc a nr e a l i z et h ef e q u e n c y c h a n g i n gd r i v e ro nt h eb a s i c o ft h i sf r a m e w o r k f o l l o wu p ，t h et h e s i sa n a l y z e sn o to n l yt h ee x e c u t i o nf l o w , i m p o r t a n td a t a s t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so fc p u f r e qs u b s y s t e m ，b u ta l s oi n t r o d u c e st h ed i f f e r e n tf e a t u r e so f f i v e g o v e r n o r sp r o v i d e db y t h e s u b s y s t e m f i n a l l y , w ed e s i g n a n di m p l e m e n tt h e 丘e q u e n c y c h a n g i n gd r i v e rw h i c hp r o v i d e db yc p u f r e qa c c o r d i n g t of e a t u r e so f l o o n g s o n2 f p r o c e s s o r a tt h el a s tc h a p t e ri nt h et h e s i s ，i tp r o v i d e st h eo p e r a t i n gc o m m a n d si nd e t a i la c c o r d i n g t ot h ec p u f r e qf r e q u e n c y - c h a n g i n gd r i v e rw h i c hh a sa l r e a d yi m p l e m e n t e d ，i ta l s op r o v e st h e e n e r g y s a v i n ge f f e c tt h r o u g ht w ow a y sb yr e a lt e s ta n ds i m u l a t i o nt e s t t w ot e s tr e s u l t sa l l i n d i c a t et h a tr e a l i z i n gt h ec p u f r e qd r i v e rh a ss o m ea d v a n t a g e sc o m p a r ew i t hk e e pt h ec p u i nt h eh i g h e s tp e r f o r m a n c es t a t u sf o r e v e r ，e s p e c i a l l yw h e nc p us u p p o r t sv o l t a g eb er e g u l a t e d n a u t o m a t i c a l l y , t h es u p e r i o r i t yw i l lb ec l e a r e r l a s t ，a tt h es e c t i o no fc o n c l u s i o n ，t h et h e s i s a s ob r i n gu ps o m eo u t l o o k so f c p u e n e r g y s a v i n gm e t h o d s i ti sv a l u a b l ef o rt h ew o r ki nt h et h e s i st og e tt h e n a t i o n a le n e r g yc o n s e r v a t i o n p r o d u c t c e r t i f i c a t i o n ”f o rt h el o o n g s o n c o m p u t e rs e r i a l s k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ；l o o n g s o n ；c p u f r e qs u b s y s t e m ；d r i v e r ；c 1 0 c ks o u r c e 目录 第一章绪论”l 1 1 背景及意义1 1 2 研究现状”2 1 2 1x 8 6 平台的电源管理规范2 1 2 2 现有的电源管理算法“3 1 2 3 龙芯计算机现有的节能方案“4 1 3 主要工作及目标“5 1 4 文章的组织6 第二章龙芯2 f 处理器的功耗及工作原理7 2 1 龙芯计算机的功耗分布”7 2 2c p u 节能方法7 2 3 功耗模拟器sim - w a t t c h 9 2 42 f 处理器功耗特性1 0 2 52 f 处理器时钟信号l l 2 6 本章小结1 3 第三章c p u f r e q 变频算法及其框架1 4 3 1 五种调控器1 5 3 2c p u f r e q 结构1 6 3 3 本章小结1 8 第四章基于龙芯2 f 处理器的c p u f r e q 驱动设计与实现1 9 4 1 时钟源的切换1 9 4 2c p u f r e q 驱动设计2 0 4 3 相关数据结构2 l 4 4c p u f r e q 驱动的实现2 2 4 4 1 模块的初始化和退出函数2 2 4 4 2 频率一索引表的定义2 5 4 4 3l s 2 fc p u f r e q _ d r i v e r 结构中的函数实现2 6 4 5 本章小结2 9 第五章c p u f r e q 的应用与验证测试3 0 5 1 c p u f m q 的应用3 0 5 2c p u f r e q 综合测试3 2 5 2 1 实际测试。3 2 5 2 2 模拟测试3 3 5 3 本章小结3 5 结论。3 6 参考文献3 9 附录a 4 2 附录b 4 4 攻读硕士学位期间取得的学术成果4 7 致访j 4 8 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景及意义 目前研究计算机的电源管理主要是因为计算机发展的两个极端，如图1 1 所示f l 】。 其一是巨型化、高性能，这类计算机主要用于科学计算、天气预报、核模拟等尖端领域； 另外一个极端是微型化、便携式，这类计算机产品几乎我们每个人都拥有它。如今性能 不再是人们一味追求的指标，在服务器数据中心以及嵌入式电子产品领域，功耗因素显 得越发重要。当前，研究计算机的电源管理至少具有以下两个意义： 图卜l 计算机发展的两个极端 f i 9 1 - 1 t w oe x t r e m e so fc o m p u t e rd e v e l o p m e n t 首先，从全球的能源环境来考虑。能源是当今世界以及未来越来越突出的一个热 点，节能成为当今时代的主题。根据有关资料，证实数据中心的扩大引发2 0 0 0 年到 2 0 0 1 年间美国加利福尼亚州的能源危机；据统计，五大搜索公司使用约2 0 0 万台的服 务器，其功耗累加达2 4 g w 。尽管p c 机、嵌入式电子产品的功耗较低，但是仅仅统计 互联网接入的电子产品，其数量据估计在2 0 1 0 年8 月底就突破了5 0 亿，这样规模的产 品耗电量也是相当惊人。可见i t 产品的耗电问题已经日益突出，并且正在持续加剧， “绿色效能计算将会被更多的用户、企业所接受。 其次，从产品自身的价值来考虑。即使全世界的能源足够充裕，取之不尽、用之不 竭，研究计算机的功耗管理也有一定的实用价值。主要体现在，对于电子设备，这类产 品大都安有备用电池，评价其优越性的一个参考指标就是其待机时间，而电池电量的发 展提升是非常缓慢的，系统软件的耗电能力也更加强大。受限于能耗，一般这类计算机 的电池只够维持几个小时的时间。 龙芯处理器是我国自主研发、具有完全自主知识产权的m i p s 架构处理器，具有低 第一章绪论 功耗、低成本的特点。龙芯处理器包括三个系列，分别面向嵌入式应用，桌面应用和 服务器应用。龙芯桌面处理器2 f 正常工作时的实测功耗仅为5 w 左右，目前采用该处 理器的计算机产品有，福珑盒子电脑、逸珑笔记本和玲珑一体机，它们的整机功耗也 仅为1 0 2 0 w 。尽管如此，龙芯计算机软件系统的功耗管理仍就比较欠缺，不能很好地 支持节能模式，尤其不支持动态电源管理，这使得其产品的推广受到制约。 研究基于“龙芯平台的电源管理策略，使得龙芯计算机真正地做到节能，除了具 有以上两条意义外，对龙芯处理器及其计算机产品的推广也具有重大的工程应用价值。 1 2 研究现状 计算机的功耗可以说从计算机诞生开始就处在不断的研究中，但是在操作系统还 不是很成熟时，这些研究大多集中在底层的电路和寄存器传输级，至多到达体系结构 级。随着硬件设备功能的发展强大、操作系统，特别是l i n u x 操作系统的不断成熟、全 世界计算机所消耗能源的逐渐剧增，以及世界能源形势的严峻更加突出，操作系统及 更上层的电源管理方案才不断发展。而操作系统级的电源管理算法的研究时间就更 短，尽管在国外已有十年的研究历史，但在国内仅有五、六年的研究时间。以下从三个 方面对操作系统级电源管理的研究现状进行逐一介绍： 1 2 1x 8 6 平台的电源管理规范 一般每种电源管理方案只适应特定的计算机平台，因此不同的c p u 架构，它们采 用的电源管理方案也不同。当前比较流行的是x 8 6 平台的a p m 和a c p i 两种电源管理 规范f 2 捌，其它公司的计算机平台都针对自己的架构制定并实现了相应的电源管理方 案。下面分别介绍各种电源管理方案。 ( 1 ) a p m ( a d v a n c e dp o w e rm a n a g e m e n t ) a p m ，即高级电源管理，是1 9 9 2 年微软与i n t e l 共同制定的高级电源管理技术，提 供c p u 和设备的电源管理功能【4 ，5 1 。这种电源管理方式主要由p c 机的b i o s 实现，因此 将其移植到其它平台不现实。除此之外，由于新老b i o s 之间的不兼容性，并且不能判 断电源管理命令是由用户发起还是由b i o s 发起，对某些硬件仍不支持，种种缺陷使得 新的电源管理方案应运而生，这就是a c p i 6 】。 ( 2 ) a c p i ( a d v a n c e dc o n f i g u r a t i o na n dp o w e ri n t e r f a c e ) a c p i ，即高级配置与电源接口，于1 9 9 6 年1 2 月，由微软、c o m p a q 、i n t e l 、东芝 和p h o e n i x 共同制定提出的一种新的电源管理标准【7 1 。它主要是将电源管理的主要执行 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 者由b i o s 转换成为操作系统，这样可以提供更大的灵活性和可扩展性，但是某些核心 的实现也是依赖b i o s 完成，因此也是很难移植到其它平台。 l i n u x 内核同时提供了对a p m 和a c p i 的支持，在内核中实现了对应的两个模块。 但是这两个模块相互冲突，用户同一时间只能加载其中的一个模块。为了让l i n u x 内核 中的电源管理功能能够更好地被利用，在用户态有专门的d a e m o n 程序。针对a p m 和 a c p i ，分别有a p m d 和a c p i d 两个守护进程。它们实现的功能比较类似，都是允许用户 预先定义某些策略，然后跟踪电源状态，执行特定的操作。通过这两个守护程序，用 户可以方便地使机器主动进入s t a n d b y 和s u s p e n d 状态。 1 2 2 现有的电源管理算法 以上的电源管理方案大多是在计算机处于空闲、未被使用情况下的电源管理策 略，为了能够进一步降低功耗，必须考虑计算机运行时各设备的能量消耗。当前研究 比较热门的计算机运行时的电源管理算法主要有两类：d p m 和d v f s ，前者称为动态 电源管理算法，主要针对的是除处理器之外的外设，而后者则是动态电压和频率调节， 针对处理器本身。 ( 1 ) d p m ( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ) d p m 电源管理机制允许在系统运行时动态地管理设备电源【8 1 ，其由i b ma u s t i n 实 验室和m o n t a v i s t a 联合开发，通过定义不同的工作点，根据一定的管理策略和系统事 件，在工作点间切换，以此来实施电源管理。d p m 的一个简单例子是：当用户仅仅在 畅听美妙的音乐时，可以由系统自动关闭显示器。 d p m 策略的一个难点是：“何时挂起设备”? 围绕这个问题，当前学术界研究的 d p m 算法主要分为三类：t i m e o u t - b a s e d 算法、预测算法和随机控制算法【3 9 ，- 0 1 。简单、 固定的f i m e o u t b a s e d 算法不大可能成为一种好的控制设备电源管理的方法，现在学者 们倾向于研究动态的、自适应的t i m e o u t b a s e d 算法；预测算法的好坏主要取决于其预 测的准确性，目前各种预测算法的准确性都还不是很高，学者们也逐渐研究具有反馈 性质的预测算法；随机控制算法的思想是把设备的开启和关闭当作一种随机状态，然 后构造相应的随机模型，如m a r k o v 模型，来对设备的电源管理做出相应的决策。 ( 2 ) d v f s ( d y n a m i cv o l t a g ea n df r e q u e n c ys c a l i n g ) d v f s ，动态电压和频率调节，其实是d v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 和d f s ( d y n a m i cf r e q u e n c ys c a l i n g ) 的结合，这主要源于公式( 1 1 ) ，即功耗与设备的工作频 率成正比，同时正比于设备电压的平方值 t u 2 l 。 第一章绪论 p a c v2 厂 ( 1 一1 ) d v f s 策略的一个难点是：“电压、频率应调至多大 ? 针对这个问题，不同实时 性的系统，如硬实时系统、软实时系统和分时系统，其调节量也不尽相同，电压、频 率的调节应在满足系统实时性的前提下，使本身的值尽量小，从而降低设备功耗，达 到最优调度 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 1 2 3 龙芯计算机现有的节能方案 尽管龙芯处理器的功耗仅有几瓦，但是在之前的龙芯计算机产品中，却完全不支 持电源管理，这使得其计算机系统称不上是一个低功耗的节能产品，至少国家节能认证 的申请是会受阻的。在龙芯计算机产品中，逸珑笔记本为了突出其便携性，其对低功耗 的实现当属最完善。在龙芯团队的努力下，逸珑笔记本当前能够实现的节能模式包括： s t a n d b y 、s t d 、f n k e y 调节显示器背光亮度和l i d 切换( 笔记本合盖待机、开盖唤醒) 等功能。当前龙芯计算机运行的操作系统包括d e b i a nl i n u x 、r e d f l a gl i n u x 、共创 l i n u x 以及龙芯团队自行开发的l o o n u x ，这些操作系统的上层应用都有相应的电源管理 软件，如基于k d e 桌面的k p o w e r s a v e 和基于g n o m e 桌面的g n o m e p o w e r - m a n a g e r ， 现在用户通过这些软件，能够方便地为自己的计算机配置相应的电源管理。 逸珑笔记本中含有一个e n e 公司的e c ( e m b e d d e dc o n t r o l l e r ) 模块，其通过l p c 总线挂接在主板的南桥上。e c 除了负责笔记本的电源管理之外，同时还管理笔记本的 各种外设，诸如键盘、触摸板、风扇和电池等等【1 6 l 。如图1 2 是e c 模块的功能结构 图，从中可以看出其在笔记本中的地位相当于一颗小型的c p u 。逸珑笔记本现在实现 的低功耗方式包括s t a n d b y 、s t d 、l i d 切换和背光亮度调节等等，但是几乎所有的低 功耗实现方式都要通过e c 来完成。 i n t e r n a lk b f k bm a t r i x t o u c h p a d s o u t hb r i d g e b a t t e r y charg。edischarge s p ir o m e x t e r n a lp s 2 卜_ 一e n ee c 卜- 一p o w e r s e q u e n c e f a nc o n t r o l f n k e y ，l e d ， l i ds w i t c h 啪i s a b l e o t h e rd e v i c e s u s bd e v i c e s t h e r m a li c ( c p u ，g p u ) 图1 - 2e c 模块的功能结构图 f i g l - 2 t h ef u n c t i o ns t r u c t u r ec h a r to fe cm o d u l e 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 逸珑笔记本s t a n d b y 的实现 s t a n d b y 模式类似于s t r 模式，与s t r ( s u s p e n dt or a m ) 模式相比，s t a n d b y 模 式的功耗更大，但是恢复时间更短。逸珑笔记本在进入s t a n d b y 之前，在驱动层通过操 作e c 将显示器关闭，停止对摄像头以及各个u s b 接口供电，同时关闭c p u 风扇的转 动等操作。在s t a n d b y 恢复过程中，在驱动层面操作e c 给先前断电的设备恢复供电。 ( 2 ) 逸珑笔记本s t d 的实现 s t d 即通俗上讲的休眠，其将内存镜像保存到硬盘中，然后整机断电，类似正常 关机。逸珑笔记本s t d 的实现借助开源软件s w s u s p e n d 来完成，纯软件实现，不需要 硬件的支持。其将内存镜像压缩后保存到交换分区中，并在下次重新启动计算机且选择 原先的系统进入时，重新将交换分区的镜像解压到内存中。 ( 3 ) l i d 切换的实现 当l i d 打开或者关闭，即笔记本开盖或者合盖时，集成在笔记本内部的磁铁会检 测到这一事件的变化，并将这个信号传到e c 的一个g p i o 引脚。e c 收到信号后会发送 s c i ( s y s t e mc o n t r o li n t e r r u p t ) 通知c p u ，接着c p u 会跳到s c i 的中断服务程序执行相 应的代码( 如进入s t a n d b y 模式或从s t a n d b y 模式中恢复) 。 ( 4 ) 背光亮度调节的实现 当用户通过f n k e y 调节显示器亮度时，键盘控制器会获取按键的扫描码，e c 在检 测到相应的扫描码后，会通过p w m 输出到l v d s ，这个过程只需要e c p 固件参与，无 需p m o n 和操作系统介入。当用户通过上层应用提供的接口来调节显示器亮度时，是 通过在驱动层操作e c 写入显示亮度值，最终也是转换为相同的硬件信号流程来完成。 龙芯计算机现在所实现的节能方法都属于静态的节能策略。为了更好地使其功耗进 一步降低，最有效的方式就是实现“运行时的动态电源管理策略，即根据当前系统的 负载，动态调节设备的运行模式。 1 3 主要工作及目标 首先，统计并得出龙芯计算机各个设备模块的功耗分布情况，对功耗贡献较大的设 备所支持的动态节能模式进行分析。其次，研究l i n u x 内核中已有的c p u f r e q 变频框架， 熟悉其与用户空间的交互接口，掌握该变频算法的五种调控策略，及其函数调用流程。 再次，针对龙芯2 f 处理器的自身工作模式，设计并编码实现龙芯平台c p u f r e q 驱动中 的各个函数接口，最终使得五种调控策略在龙芯计算机平台均可用。最后，测试并验证 c p u f r e q 变频驱动的节能效果。 5 第一章绪论 1 4 文章的组织 第一章，主要介绍了本课题的研究背景及意义所在、现有的电源管理方案或者电源 管理算法的研究现状，以及龙芯计算机已实现的节能方法，接着提出了本文的工作任务 和目标； 第二章，统计龙芯计算机的功耗分布，得出龙芯2 f 处理器功耗最大的结论。接着 提出业界c p u 的节能方法，并分析2 f 处理器的工作原理，针对其可工作在不同模式， 对软件层实现动态电源管理给出可行性验证； 第三章，介绍l i n u x 内核中c p u f r e q 驱动的安装方法，给出c p u f r e q 五种调控策 略的说明及其特点。随后分析c p u f r e q 算法的运行机制和流程，以及龙芯2 f 处理器所 要实现的函数接口。 第四章，介绍了龙芯计算机时钟源切换的原因和过程，详细说明了基于龙芯2 f 处 理器的c p u f r e q 变频驱动的实现，描述了c p u f r e q 驱动中关键数据结构的含义，涉及 的主要函数具体实现及其运行流程。 第五章，作为本文最后一章，主要起到辅助验证性的作用。本章详细说明了c p u f r e q 接口的操作方法，并通过实际测试和模拟测试两种方法验证了c p u f r e q 中较重要的两、 三种调控器的节能效果，得出实现c p u f r e q 变频驱动的意义。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章龙芯2 f 处理器的功耗及工作原理 2 1 龙芯计算机的功耗分布 计算机系统的功耗是分布在计算机的每个功能设备模块中的，而不可能单纯集中于 某个设备上。但是，各个设备的功耗大小也是不一样的，只有弄清哪些设备的功耗占据 主导因素，才能找到入手点，加以改善。 以逸珑笔记本为例，其整机空闲时功耗为1 3 7 w 左右，满载时的功耗也不会超过 1 8 w 。该笔记本的主要设备功能模块包括南桥c s 5 5 3 6 、内存、c p u 、s a t a 硬盘、w i f i 无线网卡和l c d 显示器，各种设备所占的功耗比例如图2 1 所示。 图2 - 1 龙芯计算机功耗分布状况( 单位：) f i 9 2 1 p o w e rd i s t r i b u t i o no fl o o n g s o nc o m p u t e r 从图2 1 可以看出，w i f i 无线网卡正常工作时的功耗仅为1 2 w ，而且当我们不需 要使用它时可以手动将其关闭；s a t a 硬盘读写时的功耗为2 2 w ，这种情况仅在拷贝硬 盘数据时发生，正常情况下硬盘都处在空转状态下，当内存足够大时，页面换入换出的 机会较少；l c d 背光的功耗在最亮情况下为2 3 w ，通过f n k e y 调节其亮度，可以使其 功耗降低；降低南桥c s 5 5 3 6 的功耗不大现实；m e m o r y 功耗的降低可以通过调低工作频 率的方法；而c p u 正常工作时所占的功耗比重是最大的，因此，有必要考虑并研究c p u 的节能方法。 2 2c p u 节能方法 有很多方式能够降低c p u 的功耗，常见的方法有如下几种： ( 1 ) 关闭无用部件 可以在未使用某内部部件的情况下，将该部件关闭。c p u 内部由译码器、转移猜测 7 第二章龙芯2 f 处理器的功耗及工作原理 部件、乱序执行保存队列、算术逻辑运算单元、c a c h e 、t l b 和多个控制器等组成。因 此，当其中某个功能部件未使用时可以将其暂时关闭，可惜c p u 硬件很少提供这种单 一部件的断电功能。 ( 2 ) c p ui d l i n g 方法 现在几乎所有微处理器都支持多种i d l e 状态1 1 7 1 ，这样，当c p u 处于i d l e 时，可以 使c p u 进入某种低功耗模式，如x 8 6 平台中的c 1 - - - c 4 四种状态【1 8 1 。处于节能程度越高 的状态，其恢复到正常工作模式下的时间就会越长，相反处于节能程度越低的状态，其 恢复到正常工作模式下的时间就越短。因此，采用这种节能方法的关键点是能够找出“功 耗 和“唤醒延迟 的一个平衡点； ( 3 ) t i c k l e s s 方法 传统内核的作法是，每当时钟中断产生时唤醒c p u ，c p u 进而更新系统j i f f i e s 变量、 墙上时间x t i m e s ，减少某些计时事件的时间计数，处理进程运行的时间片及其调度等其 它任务【1 9 】。时钟中断t i c k 的频率在新的内核中为2 5 0 h z ，即相隔4 m s 就会产生一个时钟 中断来告知c p u 处理相应的事情。但是，当c p u 无事可做，处于深度睡眠时，这个中 断将会唤醒c p u ，使其恢复正常工作模式，这将引起很大的能耗浪费【2 0 1 。 所谓f i c k l e s s 就是每当c p u 处于空闲，进入深度睡眠状态时，时钟中断t i c k 暂时不 产生，不唤醒c p u ，从而获得能耗的降低。但是，这必须要有另外的方式来告知系统时 间，以及任务完成等待需要处理。这就是c l o c k s o u r c e 框架层和e v e n t 层所要完成的事情。 ( 4 ) c p u 动态频率切换 c p u 动态变频可能是最被熟知的一项运行时的电源管理技术。所谓动态变频是指 c p u 硬件本身支持在不同的频率下运行，系统在运行过程中可以根据负载的变化动态在 这些不同的运行频率之间切换，从而达到对性能和功耗二者兼顾的目的。该方法就是绪 论一章中所提到的d v f s 算法，当前很多研究都是基于d v f s 的策略进行。 ( 5 ) c p u 设计中的方法 c p u 的不同设计方法在很大程度上也会影响功耗。首先是体系结构，比如r i s c 架 构的c p u 一般就比c i s c 架构的c p u 在相同性能下功耗降低一个数量级，c i s c 架构需 要更多的逻辑门电路来完成同样的功能，这就意味着更大的功耗开销【2 1 】：其次，多核架 构的c p u 与相同性能的单核c p u 相比，能够降低功耗，这也意味着处理器的发展不再 是单纯的主频提高，i n t e l 当初从奔- 4 转向酷睿也是个明智之举；另外，c p u 制造工艺 的提高能够降低电路中的延时，从而降低功耗i 捌，如3 2 n m 工艺的c p u 和相同架构与 8 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 性能下的6 5 n m 工艺的c p u 对比。 分析以上的各种方法，由于前两种方法均需要c p u 硬件提供支持；第三种方法则 不需要我们做什么事情，l i n u x 内核已经支持得很好；而第五种方法对于我们来说更不 可行，我们不可能参与到c p u 的设计当中。因此，最为可行的便是第四种方法，而且 龙芯2 f 处理器确实可以工作在不同的供电电压和时钟频率下，因此本文的重点就在于 研究和实现龙芯处理器的变频策略。 2 3 功耗模拟器sim - w a t t c h s i m w a t t c h 是基于s i m p l e s c a l a r 2 3 j 的一款通用c p u 系统级功耗模拟工具，其具有评 估速度快，误差小等特点。据介绍，s i m - w a t t c h 的功耗评估速度是网表级功耗评估的1 0 0 0 倍，而其误差仍可以控制在实际数值的1 0 以内【2 4 1 。 可以从h t t p ：w w w e e c s , h a r v a r d e d u - d b r o o k s w a t t c h - f o r m h t m l 一地方下载s i m w a t t c h 源码。其目录结构如图2 2 所示。 l i n z q u b u n t u ：s i m w a t t c h 一1 0 2 d $ l s b i t m a p hc o n f i g m a c h i n e c p o w e r c s i m c a c h e c t a r g e t a l p h a b p r e d c d l i t em a c h i n e d e f p o w e r h s i m c h e e t a h c t a r g e t p i s a b p r e d h d l i t e cm a c h i n e hp r o j e c t ss i m e i o c t e s t s c a c h e hd l i t e hm a i n c p t r a c e c s i m f a s t c t e s t s a l p h a c a c h e ce i o cm a k e f i l e r a n g e c s i m o u t o r d e r c t e s t s p i s a 图2 - 2s i m - w a t t c h 的目录结构 f i 9 2 2c o n t e n t so fs i r e w a t t c hd i r e c t o r y 一些重要的文件或目录如下：c o n f i g 目录下的配置文件定义了处理器的相关性能参 数，可以创建一个新的文件来表示我们所要模拟的处理器性能参数，然后在运行 s i m w a t t c h 时通过c o n f i g 参数指定该配置文件，默认使用c o n f i g d e f a u l t