随心所动，厂商的CPU核管理策略介绍

一、引文

随着CPU架构的发展，工艺的升级，带来性能提升，能效的提升（同性能下）。但是由于极限性能的增加，也带来了peak功耗的增加（大部分情况下，能效比的提升无法抵消这部分），CPU功耗优化一直是广大SOC厂商比较头疼的问题。

CPU功耗分为静态功耗和动态功耗：

• 静态功耗（static power）：mos管内部的PN节产生的泄漏电流，只要当前单元被上电就会有，静态功耗主要与温度和电压有关。

• 动态功耗（dynamic power）：芯片电路中的负载电容充放电造成，只要电路中有信号翻转就会产生动态功耗，动态功耗主要与频率和电压有关。其公式大体如下：

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假设一个SOC有两个cluster，每个cluster有4个CPU，单个cluster的总功耗由cluster独有的模块（例如L3 cache）功耗与CPU的功耗两部分构成，单个cluster功耗构成如图1：

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CPU LPM（Low power mode）状态即C states分为三种状态C0，C1和C4, 以qcom某款芯片为例：

• C0为正常的active状态。

• C1为WFI(wait for interrupt)模式，等到有中断的时候从C1迁移至C0状态。C1模式下会关闭core clock，此时动态功耗会变得非常低，退出延迟为40ns。

• C4会在C1的基础上关闭core logic以及L1/L2cache，退出延迟为500ns左右。

当CPU无任务运行时，idle状态下会进入低功耗模式节省功耗，此时CPU上仅存在静态功耗，假如CPU进入C1状态，其状态切换对整体功耗的影响如图2：

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假设系统中只有CPU0和CPU1，可以看到当CPU0和CPU1被唤醒，CPU整体功耗会增加cluster，CPU0和CPU1的static power以及dynamic power，如果CPU0进入WFI模式，则CPU0的dynamic power消失，如果CPU0 power down，则CPU0的static power也会消失，CPU1亦然。

现在主流的SOC处理器以8核为主，这8个核会被分为2~3个cluster。

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如果软件把某个CPU设置为“隔离状态“，使得任务在调度时，不能选择这个CPU，那么这个CPU会因为没有任务运行，很快进入低功耗模式，从而达到节省功耗的目的。在有性能需求的时候能够以较低的延迟唤醒这些idle的CPU，快速的满足性能的需求。达到性能与功耗的平衡。下面我们介绍本文的“主角“—core control。

二、core control框架与原理

（1）core control核心逻辑

core control的核心逻辑是核数的控制，如何判断当前需要多少CPU呢？其核心逻辑在eval_need函数中。

决定cluster cpu核数主要有两个因素：CPU的loading和CPU上task 的数量。

首先看CPU loading如何决定核数，见下图6：

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corectl每一轮会以cluster为单位check当前cluster满足负载要求需要多少CPU。need_cpus表示cluster最终计算需要的核数，每次check会从0开始计算，根据各个CPU的loading状态来确定是否需要增加CPU个数。CPU loading的统计方法是：当前CPU上runqueue的task loading值之和除以当前CPU理论最高的算力值，得到最终的CPU loading，具体如下图7：

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图7 cpu loading计算方法

在上面根据CPU loading得到一个初步的need cpus值后，为了避免出现性能问题，还需要从runqueue task数的角度来看是否需要增加CPU数，其判断逻辑如下图8：

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先说明一下上面函数中各个参数的含义：

• nrrun: 当前cluster总共需要执行的task数。计算方法：当前cluster上所有CPU runqueue task之和再加上prev cluster上的misfit task(task util超过prev cluster最高capacity 90%的task)数。

• nr_prev_assist: prev cluster总共有多少task需要当前cluster帮忙执行。计算方法：prev cluster cpu runqueue的总task数加上prev prev cluster的misfit task数再减去prev cluster中实际active的CPU数。

• new_need: 当前最新得出的现在所需CPU个数值。

• max_nr：当前cluster中CPU runqueue中task数最大值。

• strict_nrrun：当前cluster过去一段时间平均的running task个数，计算方法：小核只统计总的平均task数，大核则需要将平均的running task数减掉active cpu个数。这样做的目的是如果小核有enable corectl功能，则需要小核开核的条件尽可能的宽松。

1）如果当前cluster上需要运行的task过多，大于设定的阈值，需要打开cluster所有CPU。

2）如果prev cluster需要当前cluster帮忙运行的task数超过阈值，则当前cluster需要开启nr_prev_assist个CPU。

3）当前cluster需要run的task数如果小于设定阈值，但是大于new_need值，则认为当前cluster所开的CPU数不够，需要增加一个。

4）如果当前cluster中有一个CPU runqueue的task数大于4个，则说明当前CPU loading过重，需要再开一个CPU来保证运行流畅。

5）new_need的值必须大于等于当前cluster平均的running task数，由于计算方法的差别，对于小核，尽可能的让所有core都打开。

6）最终need_cpus的个数必须小于等于cluster最大的CPU数，也必须满足设定的cluster min_cpus/max_cpus的值。

（2）core control sysfs相关节点

sysfs节点主要提供给userspace用来设定参数，userspace可以通过节点设置每个cluster min_cpus(最少)/max_cpus(最多)开启的cpu个数，在CPU loading不高时，cluster只需开启min_cpus个cpu，再根据CPU loading，动态开关CPU，最多可以开启max_cpus个cpu。也可以根据需要，通过节点busy_up_thresh/busy_down_thresh以及task_thresh从task loading或者数量的角度设定cluster开关CPU的难度。