Android/Linux Thermal Governor之IPA分析与使用
IPA（Intelligent Power Allocator）模型的核心是利用PID控制器，Thermal Zone的溫度作為輸入，可分配功耗值作為輸出，調節Allocator的頻率和電壓值。
由Power Management一般開發模型可知，包括模型建立，模型實現，驗證。
1 IPA模型
PID控制器在Sustainable Power基礎上，根據當前溫度和Control Temp之間的差值，來調節可分配功耗值的大小，進而調節Cooling設備的狀態，也即調整OPP（Voltage和Frequency組合）。
所謂Sustainable Power是在不同OPP情境下，某一個最大OPP的溫度保持基本穩定。比其大者，溫度上升明顯；比其小者溫度保持不變或者下降。這可以通過監測不同OPP對應的溫度值，得到一個Sustainable Power。
另一個就是根據當前環境預估下一個場景功耗值。一般認為包括兩部分Dynamic Power和Static Leakage，這是由實測過程中得出的經驗。Dynamic Power可以認為跟Voltage和Frequency相關；Static Leakage跟Voltage和Temperature有關。根據實測得到的數據，進行分析得到最吻合數據的一組算式。由于的HiKey實測中，Static Leakage比較小，就被忽略了。所以最終Power值就只跟Voltage和Frequency相關，據此就可以算出OPP對應的功耗值。OPP和功耗之間就建立了聯系。
在一個重要參數就是PID控制器的參數P、I、D的確定，這部分也存在一定的經驗值。需要測試幾組不同參數，然后看溫度控制效果。
2 IPA測試環境
1. 在最靠近CPU的地方引出測試點。
2. 接出Ground、V+、V-到ARM Energy Probe。
3. 通過軟件設置特殊狀態：
1. 對于sustainable power需要將8核跑在100%workload。
2. 對于測試Cluster Power和CPU Power就比較復雜，下面單列。
4. 使用Ipython腳本讀取Thermal Zone溫度和測試點功耗。
HiKey對應的Cluster和CPU功耗狀態如下：
|
Power State |
PD_CPUx/CLKIN |
PDCORTEXA53 |
PD_L2 |
LinuxKernel |
|
|
CPU |
CPU P-State |
On |
On |
On |
P-State |
|
WFI |
On, internal clock gating |
On |
On |
C-State |
|
|
CPU Off |
Off |
On |
On |
C-State |
|
|
Cluster |
Cluster P-State |
On or Off |
On |
On |
P-State |
|
Cluster L2 Retention |
Off |
Off |
Retention |
C-State |
|
|
Cluster Off |
Off |
Off |
Off |
C-State |
圖表 1 HiKey Cluster和CPU狀態
3 IPA重要參數
sustainable-power
|
OPP(MHz) |
Sustainable power |
|
729 |
2155 |
|
960 |
3326 |
|
1200 |
5285 |
圖表 2 Sustainable power
sustainable-power在thermal-zone里面，是因為測量的溫度是基于thermal-sensors的，然后每個thermal-zone包含若干trips和cooling-maps。
通過觀察溫度，在729MHz的時候溫度不會增加，在960MHz的時候溫度緩慢增加，在1200MHz的時候溫度增加很快。所以確定sustainable-power在960MHz。
在Thermal框架中有一個work queue會去輪詢thermal_zone_device_check，根據Trip類型不同會執行不同的delay，passive模式100ms，其他1000ms。
control_temp
IPA模型有兩個溫度參數很重要，當溫度低于65C的時候IPA處于關閉模式，reset PID控制器。當溫度高于65C，IPA開始起作用；75C是IPA的control_temp，也即高于75C，IPA就會考慮降低可分配功耗，以達到降低溫度的目的。
圖表 3 Thermal Zones DTS
對于cooling-maps，需要上下兩張圖結合理解。trip表示在target開始啟動cooling；contribution是針對對個Allocator進行權重分配；cooling-device參數是<設備 min max>。這里面設置的min和max需要在cooling-min-level和cooling-max-level之間。cpufreq會將對應值轉換成OPP對應的voltage和frequency進行設置。
dynamic-power-coefficient
echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu[1…7]/online，關閉CPU1-CPU7，只保留CPU0。
echo mem > /sys/power/state，通過對內核代碼hack使SoC相對于CPU0工作狀態，逐漸關閉CPU0，Cluster0，整個SoC。得到如下數據：
|
OPP(MHz) |
Voltage(V) |
Cluster Power Off State (mW) |
Cluster P-State (mW) |
Cluster Power (mW) |
CPU WFI (mW) |
CPU P-State (mW) |
CPU Dynamic Power(mW) |
|
208 |
1.04 |
344 |
360 |
16 |
379 |
429 |
69 |
|
432 |
1.04 |
345 |
374 |
29 |
387 |
498 |
124 |
|
729 |
1.09 |
346 |
393 |
47 |
408 |
617 |
224 |
|
960 |
1.18 |
352 |
427 |
75 |
442 |
794 |
367 |
|
1200 |
1.33 |
367 |
479 |
112 |
508 |
1149 |
670 |
圖表 4 HiKey功耗測試數據
功耗計算公式：
power = dyn_coeff * (freq * volt^2) + static_coeff * F(volt) * F(Temp)
Dynamic power = capacitance * (freq * volt^2)
|
Cluster model |
|||||
|
Freq |
Voltage |
F * V^2 |
Power |
Model power |
Zero model |
|
208 |
1.04 |
224.9728 |
16 |
16 |
12 |
|
432 |
1.04 |
467.2512 |
29 |
29 |
25 |
|
729 |
1.09 |
866.1249 |
47 |
49 |
47 |
|
960 |
1.18 |
1336.704 |
75 |
73 |
72 |
|
1200 |
1.33 |
2122.68 |
112 |
113 |
115 |
|
Gradient (capacitance) |
Intercept (staic power) |
||||
|
Linear regression |
0.051 |
4.716716513 |
|||
|
L.R. thru zero |
0.054 |
0 |
圖表 5 Cluster系數計算
圖表 6 Cluster線性圖表
|
CPU model |
|||||
|
Freq |
Voltage |
F * V^2 |
Power |
Model power |
Zero model |
|
208 |
1.04 |
224.9728 |
69 |
44 |
67 |
|
432 |
1.04 |
467.2512 |
124 |
121 |
139 |
|
729 |
1.09 |
866.1249 |
224 |
247 |
258 |
|
960 |
1.18 |
1336.704 |
367 |
396 |
399 |
|
1200 |
1.33 |
2122.68 |
670 |
645 |
633 |
|
Gradient (capacitance) |
Intercept (staic power) |
||||
|
Linear regression |
0.317 |
-27.12625497 |
|||
|
L.R. thru zero |
0.298 |
0 |
圖表 7 CPU功耗系數計算
圖表 8 CPU線性圖標
由以上Cluster和CPU的coefficient得到，dynamic-power-coefficient = (0.298 + (0.054/4 CPUs)) * 1000 = 311。
LINEST：使用最小二乘法對已知數據進行最佳直線擬合，然后返回描述此直線的數組。
|
LINEST(known_y's,known_x's,const,stats) Known_y's 是關系表達式 y = mx + b 中已知的 y 值集合。 如果數組 known_y's 在單獨一列中，則 known_x's 的每一列被視為一個獨立的變量。 如果數組 known_y's 在單獨一行中，則 known_x's 的每一行被視為一個獨立的變量。 Known_x's 是關系表達式 y = mx + b 中已知的可選 x 值集合。 數組 known_x's 可以包含一組或多組變量。如果僅使用一個變量，那么只要 known_x's 和 known_y's 具有相同的維數，則它們可以是任何形狀的區域。如果用到多個變量，則 known_y's 必須為向量（即必須為一行或一列）。 如果省略 known_x's，則假設該數組為 {1,2,3,...}，其大小與 known_y's 相同。 Const 為一邏輯值，用于指定是否將常量 b 強制設為 0。 如果 const 為 TRUE 或省略，b 將按正常計算。 如果 const 為 FALSE，b 將被設為 0，并同時調整 m 值使 y = mx。 Stats 為一邏輯值，指定是否返回附加回歸統計值。 如果 stats 為 TRUE，則 LINEST 函數返回附加回歸統計值，這時返回的數組為 {mn,mn-1,...,m1,b;sen,sen-1,...,se1,seb;r2,sey;F,df;ssreg,ssresid}。 如果 stats 為 FALSE 或省略，LINEST 函數只返 |
4 IPA實現
|
static struct thermal_governor thermal_gov_power_allocator = { .name = "power_allocator", .bind_to_tz = power_allocator_bind, .unbind_from_tz = power_allocator_unbind, .throttle = power_allocator_throttle, }; |
|
static int power_allocator_bind(struct thermal_zone_device *tz) |
Power Allocator的結構體，包括三個核心函數power_allocator_bind、power_allocator_unbind、power_allocator_throttle。
初始化PID控制器的參數并且將power_allocator_params綁定到tz->governor_data。
|
struct power_allocator_params { bool allocated_tzp; s64 err_integral; //accumulated error in the PID controller s32 prev_err; //error in the previous iteration of the PID controller int trip_switch_on; //first passive trip point of the thermal zone. The governor switches on when this trip point is crossed. int trip_max_desired_temperature; //last passive trip point of the thermal zone. The temperature we are controlling for. }; |
PID參數
|
if (!tz->tzp->k_po || force) tz->tzp->k_po = int_to_frac(sustainable_power) / temperature_threshold; if (!tz->tzp->k_pu || force) tz->tzp->k_pu = int_to_frac(2 * sustainable_power) / temperature_threshold; if (!tz->tzp->k_i || force) tz->tzp->k_i = int_to_frac(10) / 1000; |
從DTS獲得的參數可知，temperature_threshold = control_temp - switch_on_temp = 75000-65000 = 10000。
tz->tzp->k_po = int_to_frac(sustainable_power) /temperature_threshold =3326*1024/10000=340.5824
tz->tzp->k_pu = int_to_frac(2 * sustainable_power) /temperature_threshold =3326*2*1024/10000=681.1648
tz->tzp->k_i = int_to_frac(10) / 1000 = 10*1024/1000=10.24
另兩個參數tz->tzp->k_d、tz->tzp->integral_cutoff默認為0。
PID控制器
圖表 9 power_allocator_throttle流程
power_allocator_throttle作為IPA的調節功能，首先判斷當前溫度是否小于switch_on_temp。如果小于的話，就不進入PID調節，分配最大可用功耗。反之，則使用PID進行功耗分配。當PID調節一段時間后，如果溫度低于switch_on_temp時，PID控制器的所有參數也會被重啟，所以PID控制器也會得到糾正。
圖表 10 allocate_power流程
allocate_power作為IPA的核心，遍歷所有thermal_instances，獲得actor數目及其權重；然后計算每個actor的max_power、weighted_req_power和所有actor的max_allocatable_power、total_weighted_req_power。
pid_controller根據control_temp、max_allocatable_power即pid參數計算出power_range作為下一次分配的功耗預算。
divvy_up_power基于weighted_req_power、max_power、num_actors、total_weighted_req_power、power_range在每個actor之間分配可用功耗，得出granted_power。
power_actor_set_power根據分配到的功耗設置cooling設備。cdev->ops->power2state將功耗值轉換成cooling設備狀態值，thermal_cdev_update的cdev->ops->set_cur_state對cooling進行設置。至此完成整個Thermal Zone的調節。
有幾個重要的概念，thermal_instance指的是特定thermal_zone中特定trip上的cooling設備；power actor是一個功耗消耗實體，并且可進行功耗狀態轉換，能通過調節狀態達到調節功耗的目的；actor的權重，默認是1024，如果比較重要可以增加weight值，反之可以減小。功耗分配不是基于req_power而是weighted_req_power。
IPA的缺陷：PID控制器在周期性tick環境下效果比較好，如果不規則重復則可能表現不太好，比如中斷觸發。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Android/Linux Thermal Governor之IPA分析与使用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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