11 电源管理 #

现代处理器有称为 C-states 的若干节能模式。它们反映了空闲处理器关闭不使用的组件以实现节能的能力。

当某个处理器处于 C0 状态时，表示它正在执行指令。在任何其他 C 状态下运行的处理器都处于空闲状态。C 后面的数字越大，CPU 休眠模式越深：将关闭更多的组件，以节省电源。深度休眠状态可以节省大量能源。缺点是会造成延迟。即，CPU 需要花费更长时间恢复到 C0。根据工作负载（唤醒线程，触发 CPU 的使用，然后再次短时间进入休眠状态）和硬件（例如网络设备的中断活动），禁用最深度休眠状态能够显著提升总体性能。有关操作细节，请参见第 11.3.2 节 “使用 cpupower 查看内核空闲统计”。

某些状态还包括一些具有不同节能延迟级别的子模式。支持哪些 C 状态和子模式取决于相应的处理器。但是，C1 始终可用。

表 11.1 “C 状态”概述了最常见的 C 状态。

为了避免不必要的能耗，建议分别在启用和禁用深度休眠状态的情况下对工作负载进行测试。有关详细信息，请参见第 11.3.2 节 “使用 cpupower 查看内核空闲统计”或 cpupower-idle-set(1) 手册页。

当处理器运行时（处于 C0 状态），它可能处于多个 CPU 性能状态 (P-states) 的其中之一。C 状态反映空闲状态（除 C0 外全部处于空闲状态），而 P-states 则是反映与 CPU 频率和电压相关的运行状态。

P 状态数字越大，处理器的运行频率和电压越低。P 状态的数字与特定的处理器相关，在不同类型的实施方式各不相同。但是，P0 始终是性能最高的状态（第 11.1.3 节 “Turbo 功能”中所述的情况除外）。P 状态的数字越大，表示处理器速度越慢，能耗越低。例如，与在 P1 状态下运行的处理器相比，处于 P3 状态的处理器运行速度更慢，能耗更少。要以任何 P 状态运行，处理器必须处于 C0 状态，这意味着它正在工作而不是处于空闲状态。ACPI 规范中还定义了 CPU P 状态，具体请参见 https://uefi.org/sites/default/files/resources/ACPI_Spec_6_5_Aug29.pdf。

可以单独改变 C 状态和 P 状态。

使用 Turbo 功能可以在其他核心处于深度休眠状态时，动态 overtick 活动的 CPU 核心。这可以在提高活动线程性能的同时仍符合热设计功耗 (TDP) 的限制。

但是，CPU 核心可以使用睿频的条件与特定的体系结构相关。在第 11.3 节 “cpupower 工具”中了解如何评估这些新功能的有效性。

cpupower frequency-info 命令显示内核中使用的 cpufreq 驱动程序的统计。此外，它还会显示 BIOS 中是否支持和启用了睿频（或加速）状态。如果不带任何选项运行，它将显示如下输出：

# cpupower frequency-info
analyzing CPU 0:
  driver: intel_pstate
  CPUs which run at the same hardware frequency: 0
  CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
  maximum transition latency: 0.97 ms.
  hardware limits: 1.20 GHz - 3.80 GHz
  available cpufreq governors: performance, powersave
  current policy: frequency should be within 1.20 GHz and 3.80 GHz.
                  The governor "powersave" may decide which speed to use
                  within this range.
  current CPU frequency is 3.40 GHz (asserted by call to hardware).
  boost state support:
    Supported: yes
    Active: yes
    3500 MHz max turbo 4 active cores
    3600 MHz max turbo 3 active cores
    3600 MHz max turbo 2 active cores
    3800 MHz max turbo 1 active cores

要获取所有 CPU 的当前值，请使用 cpupower -c all frequency-info。

idle-info 子命令显示内核中使用的 cpuidle 驱动程序的统计。它可以在使用 cpuidle 内核框架的所有体系结构上运行。

# cpupower idle-info
CPUidle driver: intel_idle
CPUidle governor: menu

Analyzing CPU 0:
Number of idle states: 6
Available idle states: POLL C1-SNB C1E-SNB C3-SNB C6-SNB C7-SNB
POLL:
Flags/Description: CPUIDLE CORE POLL IDLE
Latency: 0
Usage: 163128
Duration: 17585669
C1-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x00
Latency: 2
Usage: 16170005
Duration: 697658910
C1E-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x01
Latency: 10
Usage: 4421617
Duration: 757797385
C3-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x10
Latency: 80
Usage: 2135929
Duration: 735042875
C6-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x20
Latency: 104
Usage: 53268
Duration: 229366052
C7-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x30
Latency: 109
Usage: 62593595
Duration: 324631233978

使用 cpupower idle-info 找出支持的处理器空闲状态后，可以使用 cpupower idle-set 命令禁用单个状态。通常，用户希望禁用最深度的休眠状态，例如：

# cpupower idle-set -d 5

或者，禁用延迟等于或高于 80 的所有 CPU：

# cpupower idle-set -D 80

使用 monitor 子命令可以报告处理器拓扑，以及监视特定时间段内的频率和空闲电源状态统计。默认间隔为 1 秒，但可以使用 -i 来更改。工具中实施有独立的处理器休眠状态和频率计数器 — 其中一些可从内核统计中检索，另一些可从硬件寄存器中读取。可用的监视器取决于底层硬件和系统。可以使用 cpupower monitor -l 列出监视器。有关各个监视器的说明，请参见 cpupower-monitor 手册页。

monitor 子命令可让您执行性能评测。要将特定工作负载的内核统计与硬件统计进行比较，请串联相应的命令，例如：

cpupower monitor db_test.sh

# cpupower monitor
|Mperf                   || Idle_Stats
 1                         2 
CPU | C0   | Cx   | Freq || POLL | C1   | C2   | C3
   0|  3.71| 96.29|  2833||  0.00|  0.00|  0.02| 96.32
   1| 100.0| -0.00|  2833||  0.00|  0.00|  0.00|  0.00
   2|  9.06| 90.94|  1983||  0.00|  7.69|  6.98| 76.45
   3|  7.43| 92.57|  2039||  0.00|  2.60| 12.62| 77.52

通过比较各个监视器的值，可以找到关联性和依赖关系，并评估节能机制对于特定工作负载的效果。在例 11.3 中可以看到，CPU 0 处于空闲状态（Cx 的值接近 100%），但其运行频率却非常高。这是因为，CPU 0 和 1 的频率值相同，这意味着两者之间存在某种依赖关系。

您可以 root 身份使用 cpupower frequency-set 命令来修改当前设置。此命令可让您设置供调节器选择的最小或最大 CPU 频率值，或创建新的调节器。您还可以使用 -c 选项指定要修改哪些处理器的设置。如此可以轻松地为所有处理器使用一致的策略，而无需单独调整每个处理器的设置。有关更多细节和可用选项，请参见手册页 cpupower-frequency-set 或运行 cpupower frequency-set --help。

CPUfreq 子系统提供 P 状态的多个微调选项：您可以在不同的调节器之间切换、影响要使用的最小或最大 CPU 频率，或更改单个调节器参数。

要在运行时切换到另一个调节器，请结合 -g 选项使用 cpupower frequency-set。例如，运行以下命令（以 root 身份）会激活性能调节器：

# cpupower frequency-set -g performance

要设置可供调节器选择的最小或最大 CPU 频率值，请分别使用 -d 或 -u 选项。