x86上 /proc/cpuinfo中的cpufreq和scaling_cur

前天我正在看代码的时候，一个同事跑过来问我，“/proc/cpuinfo中的CPU频率是怎么来的，我在跑performance测试的时候，通过/proc/cpuinfo 查看CPU频率只有1.2G，但是我的CPU最高频率可以到2.7G。”我让他去把cpufreq governor设置成performance之后，再去执行performance测试。虽然他在做出修改之后，performance测试没有问题了，不过他的第一个问题却让我心生疑问，就去查了一下相关代码。

在linux kernel中，可以通过以下三个接口获取CPU frequency信息

1) /proc/cpuinfo

2) /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/scaling_cur_freq

3) /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/cpuinfo_cur_freq

那么，这3个接口究竟反应的是什么样的频率信息呢？它们的值是否都相同呢？我们直接使用cat看看

在比较早期的kernel（3.16）版本中，设置当前频率为1.6G，通过以上3个接口查询的结果如下：

#cat /proc/cpuinfo |grep MHz

cpu MHz : 1600.000
cpu MHz : 1600.000
cpu MHz : 1600.000
cpu MHz : 1600.000
#cat /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/scaling_cur_freq

1600000
1600000
1600000
1600000

#cat /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/cpuinfo_cur_freq

1600000
1600000
1600000
1600000
从上面的结果可以看出，在3.16 kernel上，以上3个接口读出来的CPU frequency都是相同的，就是我们设定的1.6GHz。

在Ubuntu1804-自带的kernel4.15上，同样设置频率为1.6G，也通过以上3个接口查询，结果如下：

#cat /proc/cpuinfo |grep MHz

cpu MHz : 1596.330
cpu MHz : 1596.307
cpu MHz : 1596.313
cpu MHz : 1596.330

#cat /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/scaling_cur_freq

1596340
1596348
1596368
1596333

#cat /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/cpuinfo_cur_freq

1600000
1600000
1600000
1600000

以上测试结果表明：

1）只有cpuinfo_cur_freq的值跟我们的设定值一致，为1.6GHz；

2）scaling_cur_freq和/proc/cpuinfo 多次查询出来的结果都不太一样，而且跟设定值有一个小的误差；

以上测试说明了不同版本的kernel也会有不同，我们去kernel change log中找跟这些改动相关的patch，主要有：

1）跟scaling_cur_freq改动相关的patch：commit 4815d3c56d1e10449a44089a47544d9ba84fad0d

cpufreq: x86: Make scaling_cur_freq behave more as expected

该patch通过APEF和MPERF计算CPU在一段时间内的平均频率，能够摒除CPU进入到idle state的影响。

使用APERF-MPERF的方式，不管CPU 频率是由HW-controlled，还是firmware-controlled，抑或是由linux cpufreq subsystem控制，甚至是没有frequency控制的情况下，user通过scaling_cur_freq sysfs接口都能获得有一个有意义的频率信息。

2）跟/proc/cpuinfo改动相关的patch：commit 7d5905dc14a87805a59f3c5bf70173aac2bb18f8

x86 / CPU: Always show current CPU frequency in /proc/cpuinfo

在这个patch之前，/proc/cpuinfo中的频率信息，只是一个象征意义，根据平台实现不同，可能是cpufreq governor之前写下去的requested cpufreq，并不表示CPU实际的运行频率。这个patch也是使用APERF和MPERF来计算CPU频率，像scaling_cur_freq一样能够反映CPU的实际频率信息。

最后，我们来看一下，有了这些patch（kernel 4.15）之后，以上这3个接口具体是如何实现的。

我以acpi_cpufreq driver为例进行分析，我们先来看一下跟这三个接口相关的，acpi_cpufreq driver的一些关键的callback是如何实现的：

1）频率切换是通过target/target_index还是setpolicy来完成呢？

acpi_cpufreq只能在fixed predefined frequency point中间调整，使用target_index callback完成实际的频率切换，setpolicy callback为NULL；

2）acpi_cpufreq_driver.get = get_cur_freq_on_cpu，通过读取MSR 0x199获取当前的requested frequency

/proc/cpuinfo 对应的code在arch/x86/kernel/cpu/proc.c中

show_cpuinfo
{if(cpu_has(c, X86_FEATURE_TSC)){unsigned int freq = aperfmperf_get_khz(cpu);          //1)先用aperf-mperf snapshot的方式，统计一段时间内CPU的average frequencyif(!freq){freq = cpufreq_quick_get(cpu);                      //2)若1）失败，使用cpufreq_driver->get获取当前频率{if(cpufreq_driver && cpufreq_driver->setpolicy && cpufreq_driver->get) //对于acpi_cpufreq而言，setpolicy callback为NULL{freq = cpufreq_driver->get(cpu);return freq;}policy = cpufreq_cpu_get(cpu);      //3)返回scaling governor上一次选中的target frequency；if(policy)return policy->cur;}}if(!freq)freq = cpu_khz;                         //4)如果1、2、3都失败，返回TSC的cpu_khz信息；seq_printf(m, "cpu MHz\t\t: %u.%03u\n", freq / 1000, (freq % 1000));}
}

/sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/cpuinfo_cur_freq和scaling_cur_freq都在drivers/cpufreq/cpufreq.c中实现

show_cpuinfo_cur_freq
{cur_freq = __cpufreq_get(policy->cpu);{cpufreq_driver->get(cpu);        //即get_cur_freq_on_cpu}
}
从MSR 0x199中获取该core的requestedFID-VID，再根据FID-VID去freq_table中查其相应的frequency
get_cur_freq_on_cpu(int cpu)
{struct cpufreq_policy *policy;struct acpi_cpufreq_data *data;u32 val;policy = cpufreq_cpu_get_raw(cpu);   data = policy->driver_data;//暂存的OS request frequency；cached_freq = policy->freq_table[to_perf_data(data)->state].frequency;//读MSR 0x199val = get_cur_val(cpumask_of(cpu), data);     {u32 val = drv_read(data, mask);           {struct acpi_processor_performance *perf = to_perf_data(data);struct drv_cmd cmd = {.reg = &perf->control_register,       //注意这里读的是control register，即MSR 0x199.func.read = data->cpu_freq_read,};smp_call_function_any(mask, do_drv_read, &cmd,1);}return val;}//把FID-VID转换成frequency，去policy->freq_table中找MSR 199中FID-VID对应的pos，返回其frequencyfreq = extract_freq(policy, val);       {struct acpi_cpufreq_data *data = policy->driver_data;switch(data->cpu_feature){case SYSTEM_INTEL_MSR_CAPABLE:case SYSTEM_AMD_MSR_CAPABLE:return extract_msr(policy,val);{struct acpi_processor_performance *perf;perf = to_perf_data(data);msr = val;cpufreq_for_each_entry(pos, policy->freq_table){if(msr == perf->states[pos->driver_data].status)return pos->frequency;}return policy->freq_table[0].frequency;}case SYSTEM_IO_CAPABLE:return extract_io(policy,val);default:return 0;}}
}

show_scaling_cur_freq
{freq = arch_freq_get_on_cpu(policy->cpu);        //1)通过APERF-MPERF获取CPU频率{if(!boot_cpu_has(X86_FEATURE_APERFMPERF))return 0;if(aperfmperf_snapshot_cpu(cpu, ktime_get(),true))return per_cpu(samples.khz, cpu);msleep(APERFMPERF_REFRESH_DELAY_MS);smp_call_function_single(cpu, aperfmperf_snapshot_khz, NULL,1);return per_cpu(samples.khz, cpu);}if(!freq)        //2）如果1）失败，通过cpufreq_driver->get callback获取CPU频率信息{if(cpufreq_driver && cpufreq_driver->setpolicy && cpufreq_driver->get)    //2.1）对于acpi_cpufreq driver而言，setpolicy callback为空，从这里跳出去；freq = cpufreq_driver->get(cpu);}if(!freq)        //3）返回scaling governor上一次选择的target frequency作为CPU频率freq = policy->cur;
}

来highlight一下结论：

MSR 0x199是per-core的，每个core都可以根据自己的load，计算一个target frequency，通过MSR 0x199写下去；但是我们知道，多个core的情况下，如果只有一个VRM，需要对多个core 的target frequency进行处理，取一个合适的频率作为实际的频率。如果有APERF-MPERF的话，那么可以通过/proc/cpuinfo 和scaling_cur_freq接口获得CPU实际频率，否则就只能看到各个core的requested frequency，而实际的频率可能跟我们读到的不一样。

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