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:Original: Documentation/power/energy-model.rst

:翻译:

  唐艺舟 Tang Yizhou <tangyeechou@gmail.com>

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设备能量模型
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1. 概述
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能量模型（EM）框架是一种驱动程序与内核子系统之间的接口。其中驱动程序了解不同
性能层级的设备所消耗的功率，而内核子系统愿意使用该信息做出能量感知决策。

设备所消耗的功率的信息来源在不同的平台上可能有很大的不同。这些功率成本在某些
情况下可以使用设备树数据来估算。在其它情况下，固件会更清楚。或者，用户空间可能
是最清楚的。以此类推。为了避免每一个客户端子系统对每一种可能的信息源自己重新
实现支持，EM框架作为一个抽象层介入，它在内核中对功率成本表的格式进行标准化，
因此能够避免多余的工作。

功率值可以用毫瓦或“抽象刻度”表示。多个子系统可能使用EM，由系统集成商来检查
功率值刻度类型的要求是否满足。可以在能量感知调度器的文档中找到一个例子
Documentation/scheduler/sched-energy.rst。对于一些子系统，比如热能或
powercap，用“抽象刻度”描述功率值可能会导致问题。这些子系统对过去使用的功率的
估算值更感兴趣，因此可能需要真实的毫瓦。这些要求的一个例子可以在智能功率分配
Documentation/driver-api/thermal/power_allocator.rst文档中找到。

内核子系统可能（基于EM内部标志位）实现了对EM注册设备是否具有不一致刻度的自动
检查。要记住的重要事情是，当功率值以“抽象刻度”表示时，从中推导以毫焦耳为单位
的真实能量消耗是不可能的。

下图描述了一个驱动的例子（这里是针对Arm的，但该方法适用于任何体系结构），它
向EM框架提供了功率成本，感兴趣的客户端可从中读取数据::

       +---------------+  +-----------------+  +---------------+
       | Thermal (IPA) |  | Scheduler (EAS) |  |     Other     |
       +---------------+  +-----------------+  +---------------+
               |                   | em_cpu_energy()   |
               |                   | em_cpu_get()      |
               +---------+         |         +---------+
                         |         |         |
                         v         v         v
                        +---------------------+
                        |    Energy Model     |
                        |     Framework       |
                        +---------------------+
                           ^       ^       ^
                           |       |       | em_dev_register_perf_domain()
                +----------+       |       +---------+
                |                  |                 |
        +---------------+  +---------------+  +--------------+
        |  cpufreq-dt   |  |   arm_scmi    |  |    Other     |
        +---------------+  +---------------+  +--------------+
                ^                  ^                 ^
                |                  |                 |
        +--------------+   +---------------+  +--------------+
        | Device Tree  |   |   Firmware    |  |      ?       |
        +--------------+   +---------------+  +--------------+

对于CPU设备，EM框架管理着系统中每个“性能域”的功率成本表。一个性能域是一组
性能一起伸缩的CPU。性能域通常与CPUFreq策略具有1对1映射。一个性能域中的
所有CPU要求具有相同的微架构。不同性能域中的CPU可以有不同的微架构。


2. 核心API
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2.1 配置选项
^^^^^^^^^^^^

必须使能CONFIG_ENERGY_MODEL才能使用EM框架。


2.2 性能域的注册
^^^^^^^^^^^^^^^^

“高级”EM的注册
~~~~~~~~~~~~~~~~

“高级”EM因它允许驱动提供更精确的功率模型而得名。它并不受限于框架中的一些已
实现的数学公式（就像“简单”EM那样）。它可以更好地反映每个性能状态的实际功率
测量。因此，在EM静态功率（漏电流功率）是重要的情况下，应该首选这种注册方式。

驱动程序应通过以下API将性能域注册到EM框架中::

  int em_dev_register_perf_domain(struct device *dev, unsigned int nr_states,
		struct em_data_callback *cb, cpumask_t *cpus, bool milliwatts);

驱动程序必须提供一个回调函数，为每个性能状态返回<频率,功率>元组。驱动程序
提供的回调函数可以自由地从任何相关位置（DT、固件......）以及以任何被认为是
必要的方式获取数据。只有对于CPU设备，驱动程序必须使用cpumask指定性能域的CPU。
对于CPU以外的其他设备，最后一个参数必须被设置为NULL。

最后一个参数“milliwatts”（毫瓦）设置成正确的值是很重要的，使用EM的内核
子系统可能会依赖这个标志来检查所有的EM设备是否使用相同的刻度。如果有不同的
刻度，这些子系统可能决定：返回警告/错误，停止工作或崩溃（panic）。

关于实现这个回调函数的驱动程序的例子，参见第3节。或者在第2.4节阅读这个API
的更多文档。


“简单”EM的注册
~~~~~~~~~~~~~~~~

“简单”EM是用框架的辅助函数cpufreq_register_em_with_opp()注册的。它实现了
一个和以下数学公式紧密相关的功率模型::

	Power = C * V^2 * f

使用这种方法注册的EM可能无法正确反映真实设备的物理特性，例如当静态功率
（漏电流功率）很重要时。


2.3 访问性能域
^^^^^^^^^^^^^^

有两个API函数提供对能量模型的访问。em_cpu_get()以CPU id为参数，em_pd_get()
以设备指针为参数。使用哪个接口取决于子系统，但对于CPU设备来说，这两个函数都返
回相同的性能域。

对CPU的能量模型感兴趣的子系统可以通过em_cpu_get() API检索它。在创建性能域时
分配一次能量模型表，它保存在内存中不被修改。

一个性能域所消耗的能量可以使用em_cpu_energy() API来估算。该估算假定CPU设备
使用的CPUfreq监管器是schedutil。当前该计算不能提供给其它类型的设备。

关于上述API的更多细节可以在 ``<linux/energy_model.h>`` 或第2.4节中找到。


2.4 API的细节描述
^^^^^^^^^^^^^^^^^
参见 include/linux/energy_model.h 和 kernel/power/energy_model.c 的kernel doc。

3. 驱动示例
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CPUFreq框架支持专用的回调函数，用于为指定的CPU（们）注册EM：
cpufreq_driver::register_em()。这个回调必须为每个特定的驱动程序正确实现，
因为框架会在设置过程中适时地调用它。本节提供了一个简单的例子，展示CPUFreq驱动
在能量模型框架中使用（假的）“foo”协议注册性能域。该驱动实现了一个est_power()
函数提供给EM框架::

  -> drivers/cpufreq/foo_cpufreq.c

  01	static int est_power(unsigned long *mW, unsigned long *KHz,
  02			struct device *dev)
  03	{
  04		long freq, power;
  05
  06		/* 使用“foo”协议设置频率上限 */
  07		freq = foo_get_freq_ceil(dev, *KHz);
  08		if (freq < 0);
  09			return freq;
  10
  11		/* 估算相关频率下设备的功率成本 */
  12		power = foo_estimate_power(dev, freq);
  13		if (power < 0);
  14			return power;
  15
  16		/* 将这些值返回给EM框架 */
  17		*mW = power;
  18		*KHz = freq;
  19
  20		return 0;
  21	}
  22
  23	static void foo_cpufreq_register_em(struct cpufreq_policy *policy)
  24	{
  25		struct em_data_callback em_cb = EM_DATA_CB(est_power);
  26		struct device *cpu_dev;
  27		int nr_opp;
  28
  29		cpu_dev = get_cpu_device(cpumask_first(policy->cpus));
  30
  31     	/* 查找该策略支持的OPP数量 */
  32     	nr_opp = foo_get_nr_opp(policy);
  33
  34     	/* 并注册新的性能域 */
  35     	em_dev_register_perf_domain(cpu_dev, nr_opp, &em_cb, policy->cpus,
  36					    true);
  37	}
  38
  39	static struct cpufreq_driver foo_cpufreq_driver = {
  40		.register_em = foo_cpufreq_register_em,
  41	};
