前言

首先请大家思考一个问题，当前移动设备的性能瓶颈究竟是什么呢？

抛砖引玉一下，笔者认为当前移动设备的主要矛盾是有限空间内的散热、续航以及增长的性能需求之间的矛盾。性能需求究竟是什么呢？其实是CPU的频率，频率越快，单位时间能够处理的指令数越多，直观上CPU也就运行的越快。

性能与功耗的平衡

那么，我们一直让CPU在最高频率下运行不就行了么？答案显然是否定的，这会带来更高的功耗，性能和功耗之间的关系有一个经典的公式：

$P=c\times V^{2} \times f$

为什么是V^2乘以f，这要从CPU的架构开始说起，CPU的基本组成单元其实是若干个三极管。

三极管通过控制gate的电压实现源极和漏极之间的通断，最终形成二进制0和1的表示。想象成两个水系和闸门之间的关系吧，水系沟通和阻断是通过提起和放下闸门控制的。

提起和放下这个三极管上的闸门的功耗，就是CPU实现翻转的功耗，闸门本质上是一个电容。通断控制的过程其实本质上是电容的充放电过程。公式中的P其实就是电容充放电中的功耗了。C是电容的常数项系数。V是施加在电容上的电压。开关一次的功耗是C*V^2，注意这里的单位是J（焦耳），f是频率，频率是Hz，相当于每秒调整f次，每秒消耗的能量（单位W）即这么计算出了。

这里还要说明一点，电压和频率往往是正相关的，电压给的越高，电容能够在更短的时间内完成充放电的过程，每秒内能够翻转的次数也就越多，这就可以给到更高的运行频率了。

动态频率和电压的调整

Power是与电压和频率相关的，内核中有个非常牛逼的方案——DVFS（Dynamic Voltage Frequency Scaling）。这个方案的存在在很大程度上衡量了性能与功耗的需求。简单来说，就是芯片可以动态调节自己的电压和频率，在性能需求低的时候用低的电压和频率去跑。性能需求高的时候用高的电压和频率去跑。

这里的方案其实已经非常完备了。有控制CPU频率的DVFS方案，有控制任务在各个核心上迁移，达到最优性能功耗表现的EAS（energy aware scheduling）方案。相关的power model、energy model等也在出厂时由各大芯片厂商已经预制在了芯片中。

linux的温控框架

再叨叨两句linux的温控框架。

Linux的温控框架其实是由三个核心的抽象组成的。即测量温度的设备的抽象thermal_zone、温度控制策略的抽象thermal_governor、温度控制设备的抽象thermal_cooling_device。

三个结构体都定义于Linux/thermal.h中。

thermal_zone其实可以理解为各种温度的sensor，用处是采集各个部位的温度，向上层提交。thermal_cooling_device是温度控制设备的抽象。包括风扇、CPU频率都是thermal_cooling_device。风扇和CPU频率为什么会被CPU看做同一类设备呢？它们看起来风马牛不相及。这恰恰就是软件工程中抽象的魅力。我们翻翻字典，抽象的解释是：从众多事物中抽取出共同的本质性的特质，舍弃其非本质的特征的过程。在温控的过程中风扇的作用是物理的送风，通过增加强制对流系数从而带走更多的热量，达到降温的效果。而CPU频率的调整是通过减小CPU的计算量，从而达到降温的效果。既然他们都能达到降温的效果，那么把他们抽象为一个东西是可以的，方便的。

thermal_cooling_device的结构体定义，thermal_cooling_device和thermal_zone_device通过thermal_instance链表挂载在一起，这个是后话，我们放在后面讲。

struct thermal_cooling_device {int id;char *type;struct device device;struct device_node *np;void *devdata;void *stats;const struct thermal_cooling_device_ops *ops;bool updated; /* true if the cooling device does not need update */struct mutex lock; /* protect thermal_instances list */struct list_head thermal_instances;struct list_head node;
};

IPA属于thermal_governor，是整个控制框架的核心部分，其上承接thermal_zone的采集设备，其下控制thermal_cooling_device的运作。具体的作用是根据thermal_zone采集的温度判断需不需要进入温控，需要进入什么样的温控，进而再判断是否需要thermal_cooling_device进行运作、进行怎么样的运作。

什么是IPA呢

终于说到IPA了。IPA提出前，整个DVFS的动态调整其实是一个相对原始的状态。使用的是step-wise的调整形式。即人为先预设好对应的温度和频率的关系，达到多少度，降多少频——这多少有点太原始了，而且每个平台都需要根据芯片的能效曲线进行特制的调整。

我们为什么不能像DVFS一样呢？有一个自动的性能和功耗的度量，对实时的工作负载和功耗进行适配，最终达到最优的温控效果呢？

IPA（intelligence power allocator）就应运而生了，IPA最早由ARM提出，用来作为DVFS框架下的温控方案。主要由两方面构成

基于PID的温度控制器
基于功耗预算的功耗分配系统

接下来先埋个坑，计划用两到三篇文章，详细讲讲IPA的工作流程。

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