【深度长文】deepin的电源管理策略

CPU/显卡/打印机/USB设备等硬件问题
回复
头像
zhangmorning
帖子： 4
注册时间： 2023-12-06 11:03
系统： deepin

【深度长文】deepin的电源管理策略

#1

帖子 由 zhangmorning » 2023-12-06 14:15

【起因】
近期，我们收到用户反馈，在使用deepin系统过程中遇到了CPU功耗过高导致的设备发热、续航较差情况，而用户在这些负载场景下，CPU的占用往往不高。为了解决这个痛点，开源社区中心特别成立专项计划，对于deepin的电源进行专项优化，本文旨在针对此问题根因进行分析于说明。

在对电源进行专项优化之前，我们首先对deepin系统进行了深入的调查和分析，以了解其在负载场景下的实际运行情况。经过对CPU使用率和功耗的监测，我们发现了一个令人惊讶的事实：尽管在高负载场景下CPU的占用率不高，但其功耗却持续升高，最终导致设备发热并影响续航。也就是说，我们前期做的省电优化工作，不仅无效，还起了反作用（具体情况作者将在下文作出仔细说明）。

【问题】
1、内核
最开始发现问题的地方在内核。有用户将我们的内核和ubuntu的内核进行对比后发现，虽然我们的系统和ubuntu系统的性能差不多，但是在发热和续航上，我们较ubuntu落后较多。有用户在deepin系统上使用ubuntu和其他开源linux发行版的配置文件分别编译内核，发现deepin的主要问题存在于发热控制之上。我们的测试同事高度重视这一社区反馈，遂对社区用户反馈的问题进行复现，佐证了这一现象。

对于这种问题，我们立即联系了内核研发部的同事，并邀请部分对内核配置有一定研究的社区用户共同参与。在大家的合力排查下，我们发现，deepin v23中提供的HWE内核存在部分debug和无用的内核选项被开启的情况，并且部分节电功能实际未能获得启用，这些都在一定程度上导致了deepin v23的续航表现不佳。

2、系统
在系统层面，我重新审视了dde-daemon提供的电源调度模块，并且对比内核文档提供的文件接口，分析我们用户使用的电源模式，发现其中存在可以优化的空间。这将是本文着重讲解的内容之一。

3、前置知识：ACPI
ACPI是Advanced Configuration and Power Interface的缩写，是一种计算机硬件和操作系统之间交换能源相关信息的接口规范。它定义了计算机硬件的能源相关信息，如电源供应器状态、设备功耗、设备功率因数等。ACPI是操作系统控制计算机硬件能源管理的标准，同时也是硬件厂商和操作系统之间通信的标准。

在deepin系统中，ACPI负责处理计算机硬件的能源管理，它与deepin系统的电源管理模块进行交互，以实现对计算机硬件的能源管理。

在分析系统层面的问题时，我们需要了解ACPI和电源管理模块的作用和功能，以及它们是如何协同工作的。在本文中，我们将会详细讲解ACPI的工作原理以及deepin系统中的电源调度模块工作模式，并提出可行优化建议。

首先，让我们了解一下ACPI的工作原理。当计算机硬件发生电源变化时，ACPI会收集硬件信息，并向操作系统发送电源请求。操作系统收到电源请求后，会根据用户配置自动调整各个硬件的电源策略。而deepin系统的电源模块则是帮助用户生成配置来调整ACPI的行为。所以在这一方面，我们能做的就是向ACPI提供合理的电源策略，在保证性能的同时，降低设备温度并提升续航表现。

4、平台电源配置
相关内核文档https://docs.kernel.org/userspace-api/sysfs-platform_profile.html

UEFI ACPI文档https://uefi.org/htmlspecs/ACPI_Spec_6_4_html/index.html

平台电源配置是电源管理模块的一个重要组成部分，它用于管理计算机平台硬件（指所有支持ACPI的设备）的电源状态，而CPU也是属于ACPI设备的一部分。不过CPU是计算机的核心发热大户，对于其使用平台电源管理可能粒度较粗，所以APCI引入了一些CPU独有的性能管理方式，在下一小节将详细说明。

平台电源配置提供了三种可选模式：performance（性能模式），balance（平衡模式），low-power（节能模式）。一般情况下，用户使用平衡模式就可以。在台式机和mini主机类（对于功耗和发热没有任何要求）设备上默认提供性能模式，在笔记本等移动设备上默认提供平衡模式。默认不提供节能模式，因为某些ACPI设备在节能模式工作过程中可能出现“睡死现象”，所以为了避免此问题，默认不提供 low-power节电模式。

5、CPU电源配置
传统电源模式（SCalling）内核文档https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guid ... ufreq.html

Intel PState 内核文档https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guid ... state.html

AMD PState 内核文档https://docs.kernel.org/admin-guide/pm/amd-pstate.html

其实你如果有时间，自行研读上述电源文档，就很容易理解CPU电源配置相关内容。我在这里的讲述将忽略大量技术细节和实现方式，仅仅是告诉你如何调整CPU的电源模式

在 /sys/devices/system/cpu/cpufreq 目录下有许多文件名为 policy<x> （x代表核心编号），这些文件对应着你电脑上的CPU核心，而CPU的电源调度细节就在这些文件夹里面。在 policy<x> 目录下有一个文件 scaling_driver,使用cat或其他方式访问它，得到的结果就是我们当前使用的调度器：
  • intel_cpufreq / acpi_cpufreq : 使用scaling freq 调度
  • intel_pastate : 使用Intel Pstate调度
  • amd-pstate : 使用AMD Pstate调度
6、scalling freq调度
这是最传统的CPU调度方式，你可以在 policy<x>文件夹下的 scaling_available_governors获取可选电源模式：

performance（性能模式），最极致的性能表现，最火热的CPU温度,最短的续航
powersave（节能模式），为绿色地球出一份力
balance（平衡模式），性能和续航，小孩子才做选择，我全都要
schedutil（平衡模式），平衡模式的一种，使用不同算法进行调度
ondemand （平衡模式），平衡模式的一种，根据当前cpu负载动态调整频率。当负载大于阈值时调整到最高频率，其他情况按负载比例计算频率
conservative（平衡模式），平衡模式的一种，根据当前cpu负载动态调整频率。当负载大于最大阈值时步进递增频率，当负载小于最低阈值是步进递减
userspace（用户模式），以用户指定的频率运行 CPU，可通过/sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/scaling_setspeed 进行配置

你可能好奇，为啥这里有这么多平衡模式，其实这些个平衡模式作用都是一样：平衡性能和续航，不过使用的算法可能不同，这里我不做详细说明，我在网络上找到一些详细资料可以参考，有兴趣的朋友可以自行查阅：
我们可以更改 scaling_governors 来更改此核心的电源调度（注意，只能更改为 scaling_available_governors 文件中列出的电源调度，不同电脑可能不同）
7、Intel Pstate
这是Intel 近几代cpu独享的moment, 内核开启intel pstate后（V23 内核默认开启）你会发现在 policy<x> 文件夹下多了几个文件：

我们只需要关注：
  • energy_performance_available_perference : 可用的pstate电源调度
  • energy_performance_perference ： 当前选定的pstate电源调度，可以更改此文件内容来更改电源调度
在Intel Pstate中出现了两个新的调度方案：
  • balance_performance : 平衡偏性能，平时工作频率不高，在负载增大时能快速响应
  • balance_power : 平衡偏节能，电源策略较为保守
在部分电脑上还有 default 方案，此方案就是经过pstate优化过的balance策略
具体PState使用的黑魔法以及主动模式和被动模式的调度策略，可以参照内核文档进行分析。

8、AMD PState
这是AMD ZEN2 以上用户，以及吃上kernel 6.4.x的用户独享的moment。 其实AMD在6.1内核已经做了PState的支持，不过是被动模式。

（Actvie Mode）主动模式

Active Mode 仅在内核版本大于6.4以上，且内核选项打开AMD PState时可用。可能需要在grub内加入启动参数以打开此功能：amd_pstate=active ，也可以修改文件实现

Active Mode 的电源策略和Intel PStatewi类似

（Passive Mode）被动模式

Passtive Mode 仅在内核大于6.1以上，且内核选项打开AMD PState时可用。可能需要在grub加入启动参数开启此功能：amd_pstate=passive,也可修改文件实现

Passive Mode 提供两种电源模式，在 /sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor文件进行调整：
  • performance 使用platform_profile进行配置，同使调度积极性较高
  • scheutils 在 /sys/device/system/cpu/cpufreq/schedutil/rate_limit_us 文件中调整调度粒度（两次调度的间隔时间），和ACPI的scheutils类/sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor
（Guided Mode）引导模式
Guided Mode 仅在内核大于6.1以上，且内核选项打开AMD PState时可用。可能需要在grub加入启动参数开启此功能：amd_pstate=guided,也可修改文件实现

其类似汽车的自动挡，驱动程序请求最低和最大性能级别，平台自动选择此范围内适合当前工作负荷的性能级别

9、GPU电源管理部分
AMD GPU
如果是amdgpu 则是需要更改两个文件（使用tee命令进行写入）：

/sys/class/drm/card0/device/power_dpm_state （这个是一个遗留接口，目的是向后兼容）

performance 高性能模式
balance 平衡模式
battery 节能模式

/sys/class/drm/card0/device/power_dpm_force_performance_level

以下设置来自amd官方驱动文档：

代码： 全选

* auto :当选择auto时，设备将尝试针对驱动中的当前条件动态选择最佳功率曲线
* low ：当选择低时，GPU被强制到最低功率状态。
* high：当选择高时，GPU被强制到最高功率状态
* manual：当选择手动时，用户可以通过sysfs pp_dpm_mclk、pp_dpm_sclk和pp_dpm_pcie文件手动调整每个时钟域启用的电源状态，并通过pp_power_profile_mode sysfs文件调整电源状态转换方式。
* profile_standard 固定时钟级别分析模式。此模式将时钟设置为固定的级别，该级别因 ASIC 而异。这对于分析特定工作负载很有用（不常用）
* profile_min_sclk 最小 sclk 分析模式。此模式将 sclk 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用（不常用）
* profile_min_mclk 最小 mclk 分析模式。此模式将 mclk 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用（不常用）
* profile_peak 峰值分析模式。此模式将所有时钟（mclk、sclk、pcie）设置为最高级别。这对于分析最大性能的场景很有用。（不常用）
​
AMD核显安兔兔验证数据
模式设置为low时，gpu得分12144
图片

模式设置为auto时，gpu得分88544
图片

模式设置为high时，gpu得分89575
图片

Intel GPU
intel GPU使用的i915驱动，并不希望你对其做出调整，因为其驱动自带的电源策略已经足够聪明。不过你也可以通过intel 提供的intel-gpu-tools进行调整和获取信息

代码： 全选

sudo apt install intel-gpu-tools
​
然后使用

代码： 全选

sudo intel_gpu_frequency
​
来获取当前频率（当前使用的是Intel A750）
图片

可以看到intel的显卡驱动是在600 MHz 到 2400 MHz 之间动态调整

测试笔记本下intel核显跑分如下
图片

Nvidia
无话可说，去驱动调整吧

本文作者为 deepin 开源社区中心研发 longlong
本文遵循 CC-BY-NC-SA-4.0 https://creativecommons.org/licenses/by ... .0/deed.zh 分发
原文地址：https://bbs.deepin.org/post/260831

致谢
感谢deepin 社区内核团队
感谢社区测试团队
感谢 @fslong以及其他参与v23内核续航测试的社区用户
页首
回复

回到 “硬件与内核”