CPU frequency scaling (简体中文)

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翻译状态: 本文是英文页面 CPU_Frequency_Scaling翻译,最后翻译时间:2016-06-22,点击这里可以查看翻译后英文页面的改动。

CPU 调频允许操作系统通过提高或降低 CPU 频率来达到省电目的。CPU 频率可以根据系统负载或响应 ACPI 事件来自动调整,也可通过用户空间程序手工调整。

Linux 内核具有 CPU 调频实现,该基础架构称为 cpufreq。从 3.4 内核开始,必要的模块都会自动加载,而且推荐的调频器 ondemand governor 默认启用。但是,在进行高级配置时,仍然会用到其他用户空间工具,例如 cpupoweracpidlaptop-mode-tools,或桌面环境所提供的图形化工具。

用户空间工具

thermald

thermaldAUR 是一个 Linux 守护进程,用于防止平台过热。此守护进程会监控平台温度,并采用可用的冷却方式来降低温度。

默认情况下,在硬件采取激进的降温措施之前,它将利用现有的 CPU 数字温度传感器监控 CPU 温度,并保持 CPU 的温度处于可控范围。如果 sysfs 中存在表面温度传感器,那么它将让表面温度保持在 45℃ 以下。

i7z

i7z 是 i7 CPU (也同样适用于 i3 和 i5 CPU)的报告工具。可以在终端下输入 i7z 或者使用图形化工具 i7z-gui 来运行该工具。

cpupower

cpupower 是一组为辅助 CPU 调频而设计的用户空间工具。该软件包并非必须,但强烈建议安装,因为它提供了方便的命令行实用程序,并且内置 systemd 服务,可在启动时更改调频器。

cpupower 的配置文件位于 /etc/default/cpupower。此配置文件由 /usr/lib/systemd/scripts/cpupower 中的 bash 脚本读取,而该脚本由 systemd 通过 cpupower.service 激活。若要在启动时启用 cpupower,请执行:

# systemctl enable cpupower.service

CPU 频率驱动程序

注意:
  • 原生 CPU 模块将会自动加载。
  • 对于现代 Intel CPU,将使用 pstate 功率驱动程序,而非下列其他驱动程序。此驱动程序的优先级高于其他驱动程序,并编入内核(而非编译为模块)。此驱动程序将自动用于 Sandy Bridge(以及更新的 CPU)。如果在使用这个驱动的时候遇到问题,建议您在 Grub 的内核参数中将其禁用(即修改 /etc/default/grub 文件,在 GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT= 后添加 intel_pstate=disable)。您可以使用与此驱动程序配套的用户空间工具,但这些工具不受您的控制
  • 尽管上述 P State 行为会受到 /sys/devices/system/cpu/intel_pstate 影响,例如:可以通过 # echo 1 > /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo 关闭 Intel 睿频加速,从而降低 CPU 的温度。
  • 对于现代 Intel CPU,Linux Thermal Daemon 也提供了一些其他的控制方法(例如 thermaldAUR),它们可以通过 P-state、T-state 或 Intel 节能驱动程序来主动控制系统温度。thermald 也适用于较老的 Intel CPU。如果最新版本的驱动程序不可用,那么守护进程会还原为 x86 MSR (Model Specific Register),由 Linux“cpufreq 子系统”来控制系统冷却。

cpupower 需要相应模块来了解本地 CPU 的限制信息:

模块 描述
intel_pstate 此驱动程序通过内置调频器,实现面向 Intel Core(SandyBridge 和更新的型号)处理器的调频驱动。
acpi-cpufreq 此 CPUFreq 驱动程序可充分利用 ACPI Processor Performance States。此驱动程序也支持 Intel Enhanced SpeedStep(之前由 speedstep-centrino 模块(已废弃)提供支持)。
speedstep-lib 此 CPUFreq 驱动程序面向支持 Intel SpeedStep 的 CPU(主要包括 Atom 和早于 Pentinum 3 的 CPU)。
powernow-k8 面向 K8/K10 Athlon 64/Opteron/Phenom 的 CPUFreq 驱动程序。从 Linux 3.7 开始,对于此系列中的较现代 CPU,将自动使用“acpi-cpufreq”。
pcc-cpufreq 此驱动程序支持 HP 和 Microsoft 提出的 Processor Clocking Control 接口,在某些 ProLiant 服务器上比较有用。
p4-clockmod 面向 Intel Pentium 4/Xeon/Celeron 处理器的 CPUFreq 驱动程序,可通过跳频来降低 CPU 温度。(您最好使用 SpeedStep 驱动程序。)

查看所有可用的模块,运行以下命令:

$ ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/drivers/cpufreq/

加载合适的模块 (see Kernel modules for details)。一旦合适的 cpufreq 驱动模块被加载成功,就可以通过以下命令查询到 CPU 的信息:

$ cpupower frequency-info

设置最大和最小频率

在罕见的情况下,可能有必要手动设置最大和最小频率。

运行以下命令设置最大时钟频率(clock_freq 为时钟频率,单位为:GHz, MHz):

# cpupower frequency-set -u clock_freq

运行以下命令设置最小时钟频率:

# cpupower frequency-set -d clock_freq

运行以下命令设置运行于指定频率:

# cpupower frequency-set -f clock_freq
注意:
  • 仅设置某一核心,添加参数 -c core_number
  • The governor,频率的最大值和最小值可以在 /etc/default/cpupower 中设置。

调整调速器

Note: pstate 驱动仅支持 performance 和 powersave governors and the performance 可以比老的 ondemand governor 更省电.

调速器(见下表)是预设的 CPU 电源方案。在同一时刻只会有一个会调速器被激活。可以查询内核源码的 内核文档 得到更多的相关信息。

调速器 描述
ondemand 按需快速动态调整CPU频率, 一有cpu计算量的任务,就会立即达到最大频率运行,等执行完毕就立即回到最低频率(阙值为 95%)
performance 运行于最大频率
conservative 按需快速动态调整CPU频率, 一有cpu计算量的任务,就会立即达到最大频率运行,等执行完毕就立即回到最低频率(阙值为 75%)
powersave 运行于最小频率
userspace 运行于用户指定的频率

根据实际硬件,以下的调速器可能被默认启用:

  • ondemand :AMD 及旧款 Intel CPU。
  • powersave :Intel Sandy Bridge 和更新的CPU。

如果需要指定特定的调速器,运行以下命令:

# cpupower frequency-set -g governor
注意:
  • 仅设置某一核心,请在命令的最后跟随以下参数 -c core_number
  • 激活某一调速器,需要特定的 内核模块 (名为 cpufreq_governor)正确载入。在 3.4 内核上,这些模块应该已经自动加载。

也可以这样实现:

# echo governor | tee /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor >/dev/null
Tip: 如果需要实时监测 CPU 的频率,运行以下命令:
$ watch grep \"cpu MHz\" /proc/cpuinfo

调节 ondemand 调速器

查看 kernel documentation 获得更多信息。

开关阙值

设置到其他值(增加)的步长,执行以下命令:

# echo -n percent > /sys/devices/system/cpu/cpufreq/<governor>/up_threshold

设置到其他值(减小)的步长,执行以下命令:

# echo -n percent > /sys/devices/system/cpu/cpufreq/<governor>/down_threshold

采样率

采样率决定调速器多久进行一次检查并调整CPU频率。 设置sampling_down_factor大于1将通过降低负载评估的消耗,并将CPU保持在最高运行频率而提高性能。sampling_down_factor 的可选数值是 1 到 100000。这个可调参数对低CPU频率/负载没有效果。

要获取这个值 (default = 1),运行:

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpufreq/ondemand/sampling_down_factor

要设置这个值,运行:

# echo -n <value> > /sys/devices/system/cpu/cpufreq/ondemand/sampling_down_factor

保存设置

要在重启后自动启用设置,可以使用 systemd-tmpfiles. 例如要在启动时设置 sampling_down_factor,创建并编辑 /etc/tmpfiles.d/10-cpu-sampling-down.conf

/etc/tmpfiles.d/10-cpu-sampling-down.conf
w /sys/devices/system/cpu/cpufreq/ondemand/sampling_down_factor - - - - 40

与ACPI事件交互

用户可以把调速器配置为基于不同的ACPI事件自动切换的形式。例如接入外接电源,或是合上屏幕时。以下是一个简明的例子,但可能有必须通读一遍文章acpid.

事件是在/etc/acpi/handler.sh中定义的。如果acpid软件包已经安装,这个文件应该已经存在并且设置为可执行。例如,当外接电源拔除时将调速器从performance改为conservative,而当电源再次接入时将它改回来:

/etc/acpi/handler.sh
[...]

 ac_adapter)
     case "$2" in
         AC*)
             case "$4" in
                 00000000)
                     echo "conservative" >/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor    
                     echo -n $minspeed >$setspeed
                     #/etc/laptop-mode/laptop-mode start
                 ;;
                 00000001)
                     echo "performance" >/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
                     echo -n $maxspeed >$setspeed
                     #/etc/laptop-mode/laptop-mode stop
                 ;;
             esac
         ;;
         *) logger "ACPI action undefined: $2" ;;
     esac
 ;;

[...]

GNOME下的授权

Tango-view-refresh-red.pngThis article or section is out of date.Tango-view-refresh-red.png

Reason: See the note below. (Discuss in Talk:CPU frequency scaling (简体中文)#)
注意: systemd引入了logind来处理consolekit和policykit行为。以下代码不再工作。

GNOME (简体中文)有一个不错的小工具来在线修改调速器。如果想在不需要root密码的情况下就能使用它,只需要建立一个文件/var/lib/polkit-1/localauthority/50-local.d/org.gnome.cpufreqselector.pkla然后录入以下内容:

[org.gnome.cpufreqselector]
Identity=unix-user:USER
Action=org.gnome.cpufreqselector
ResultAny=no
ResultInactive=no
ResultActive=yes

其中USER替换为期望的用户名。

AUR中的软件包desktop-privilegesAUR包含一个类似的.pkla文件为所有power 用户组中的用户授权修改调速器。

疑难解答

Tango-inaccurate.pngThe factual accuracy of this article or section is disputed.Tango-inaccurate.png

Reason: please use the first argument of the template to provide a brief explanation. (Discuss in Talk:CPU frequency scaling (简体中文)#)
  • 一些应用程序,如ntop,对自动频率调整不能很好地响应。在ntop的案例中它可能导致分段错误和大量信息丢失,因为在大量网络数据包突然到达被监控的网络接口时,on-demand调速器不能迅速反应,以致当前处理速度满足不了处理这些数据包所需的速度。
  • 一些CPU在默认的on-demand调速器配置下可能受到比较严重的性能损失(例如flash视频不能平滑地播放,或窗口动画停顿)。为了解决这些问题,完全禁用掉频率调整不如采取更积极的措施——降低每个CPU的up_threshold sysctl变量值。阅读#修改on-demand调速器的阈值[broken link: invalid section]章节以获得更多信息。
  • 有时on-demand调速器可能达不到最高频率而只能达到次级频率。这个问题可以通过把max_freq值设置得稍微高于最大频率的方式来解决。例如,如果CPU的频率范围是2.00 GHz到3.00 GHz,把max_freq设置为3.01 GHz就是一个不错的主意。
  • ALSA驱动和有些声音芯片配合工作时,可能导致在调速器改变频率时声音跳跃。改回non-changing调速器应该能够解决这个问题。

BIOS频率限制

一些CPU/BIOS配置可能导致达不到最高频率或根本无法调高频率。这很可能是因为BIOS告诉操作系统限制频率,结果在/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/bios_limit中设置了一个过低的值。

这种情况下需要在BIOS设置中修改指定的配置(频率,发热管理等)。这通常是由于有问题的/过旧的BIOS导致,也可能BIOS有特别的原因要求必须这样。

可能的原因有(假设你的机器是一台笔记本)电池被移除(或快要完全损坏),所以你只能用外接电源。这种情况下如果电源适配器提供的电能太弱,就会满足不了整个系统在峰值所需的电能,而且又没有电池辅助供电,就可能导致数据丢失,数据损坏或最坏的情况下损坏硬件!

不是所有的BIOS都会在这种情况下限制CPU频率,但如IBM/联想 Thinkpad就会。参考thinkwiki以获取更多信息thinkpad related info on this topic.

如果你检查后发现并没有不正确的BIOS设置,而且你也十分清楚自己在做什么以及可能导致的结果,你还可以选择让内核忽略BIOS限制。

警告: 请确保你读了并且完全明白上面一节内容。CPU频率限制是你BIOS的一个安全特性,通常情况下你不应该越过它。

一个特殊的参数需要传递给处理器模块。

临时尝试这办法时可以修改/sys/module/processor/parameters/ignore_ppc值从01

要固化这个修改请参考Kernel modules[broken link: invalid section]或继续阅读本文。 添加processor.ignore_ppc=1到内核启动参数或创建

/etc/modprobe.d/ignore_ppc.conf
# 如果你的机器受到错误的BIOS频率限制,这应该会有帮助
options processor ignore_ppc=1

Common issues

High load

Tango-view-fullscreen.pngThis article or section needs expansion.Tango-view-fullscreen.png

Reason: What kernel version? Needs a link to an open bug report, all that I've been able to find with a quick search is [1]. (Discuss in Talk:CPU frequency scaling (简体中文)#)

There is a bug in the kernel module rtsx_usb_ms which causes a constant load over 1.0. Test whether it makes a difference by temporarily removing it rmmod rtsx_usb_ms

参阅