电源管理入门之CPU热插拔详解

    之前介绍了电源的开机和关机重启，本小节开始介绍省电的技术，其中最暴力的省电方法就是直接拔核hotplug处理，就像需要10个人干活都要吃饭，但是现在活少了最节省的方法就是砍掉几个人，有点像裁员啊。

1. 省电技术概览

 对于省电，我们短时间不使用设备的时候可以进行休眠唤醒，长时间不使用就直接关机了。在使用设备的时候可以按照当前需要的性能进行调频处理就是CPUFreq和DevFeq，当没重度使用或者只运行系统必须进程的时候可以进行CPU休闲(CPUIdle)、CPU热插拔(CPU Hotplug)、CPU隔离(Core Isolate)和动态PM(Runtime PM)。

CPUIdle指的是当某个CPU上没有进程可调度的时候可以暂时局部关掉这个CPU的电源，从而达到省电的目的，当再有进程需要执行的时候再恢复电源。

CPU Hotplug指的是我们可以把某个CPU热移除，然后系统就不会再往这个CPU上派任务了，这个CPU就可以放心地完全关闭电源了，当把这个CPU再热插入之后，就对这个CPU恢复供电，这个CPU就可以正常执行任务了。

CPU隔离指的是我们把某个CPU隔离开来，系统不再把它作为进程调度的目标，这样这个CPU就可以长久地进入Idle状态了，达到省电的目的。不过CPU隔离并不是专门的省电机制，我们把CPU隔离之后还可以通过set_affinity把进程专门迁移到这个CPU上，这个CPU还会继续运行。CPU隔离能达到一种介于CPUIdle和CPU热插拔之间的效果。

Runtime PM指的是设备的动态电源管理，系统中存在很多设备，但是并不是每种设备都在一直使用，比如相机可能在大部分时间都不会使用，所以我们可以在大部分时间把相机的电源关闭，在需用相机的时候，再给相机供电。

cpu hotplug和idle的区别？

hotplug是从硬件上拔掉核下电，idle只是从软件上进行处理，也就是说调度器在idle时只是不去调用但是核还是可见的，hotplug直接没这个核了，软件完全不可见。

 省电管理可以达到省电的目的，但是也会降低系统的性能，包括响应延迟、带宽、吞吐量等。所以内核又提供了一个PM QoS框架，QoS是Quality Of Service(服务质量)。PM QoS框架一面向顾客提供接口，顾客可以通过这些接口对系统的性能提出要求，一面向各种省电机制下发要求，省电机制在省电的同时也要满足这些性能要求。PM QoS的顾客包括内核和进程：对于内核，PM QoS提供了接口函数可以直接调用；对于进程，PM QoS提供了一些设备文件可以让用户空间进行读写。PM QoS对某一项性能指标的要求叫做一个约束，约束分为系统级约束和设备级约束。系统级约束针对的是整个系统的性能要求，设备级约束针对的是某个设备的性能要求。

整体上电源管理也是策略和机制分离的，例如：

hotplug是一个机制，谁去用？可以用户App制定的策略、温控策略、系统suspend时需要等。

CPUFreq是策略和机制都包含的。

2. 热插拔代码介绍

 

cpu的状态包括：possible、present、online、active。

possible状态的cpu：可理解为存在这个CPU资源，但还没有纳入Kernel的管理范围。

present状态的cpu：表示已经被kernel接管。

online状态的cpu：表示可以被调度器使用。

active状态的cpu：表示可以被迁移migrate。

 Linux内核在初始的时候，会创建虚拟总线cpu_subsys，每个cpu调用register_cpu注册时，都会将cpu设备挂在这个总线下。cpu的拔插是通过操作文件节点online实现的，具体拔插操作如下（以cpu1为例）：

 

echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu1/online //拔核操作
echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu1/online //插核操作

 

为什么以cpu1为例?

Linux CPU热插拔，支持在系统启动后，关闭任意一个secondary cpu（在ARM架构中，CPU0为boot cpu，不能被关闭），并在需要时重新打开它。

当操作/sys/devices/system/cpu/cpu1/online文件的时候，会执行drivers/base/core.c中online_store（）函数

 

static ssize_t online_store(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
                            const char *buf, size_t count
)
{
        bool val;
        int ret;

        ret = strtobool(buf, &val);
        if (ret < 0)
                return ret;

        ret = lock_device_hotplug_sysfs();
        if (ret)
                return ret;

        ret = val ? device_online(dev) : device_offline(dev);
        unlock_device_hotplug();
        return ret < 0 ? ret : count;
}
static DEVICE_ATTR_RW(online);

 

 这块有一个sysfs的知识点，就是DEVICE_ATTR_RW(online);声明了这个宏，就可以在文件系统里面为这个设备熟悉添加一个文件，当向这个文件写入字符串的时候就会调用拼接出来的online_store（）函数，读这个文件的时候就会调用online_show（）函数

 

#define __ATTR(_name, _mode, _show, _store) {        
  .attr = {.name = __stringify(_name),        
     .mode = VERIFY_OCTAL_PERMISSIONS(_mode) },    
  .show  = _show,            
  .store  = _store,            
}

#define __ATTR_RW(_name) __ATTR(_name, 0644, _name##_show, _name##_store)

#define DEVICE_ATTR_RW(_name) 
  struct device_attribute dev_attr_##_name = __ATTR_RW(_name)

 

在online_store（）函数中，拔核就执行device_offline(dev)函数
device_offline中dev->bus->offline(dev);
drivers/base/cpu.c中

 

struct bus_type cpu_subsys = {
        .name = "cpu",
        .dev_name = "cpu",
        .match = cpu_subsys_match,
#ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
        .online = cpu_subsys_online,
        .offline = cpu_subsys_offline,
#endif
};

    cpu_device_down
        cpu_down
            cpu_down_maps_locked
                _cpu_down
                    cpuhp_down_callbacks
                        takedown_cpu

[CPUHP_TEARDOWN_CPU] = {
        .name                   = "cpu:teardown",
        .startup.single         = NULL,
        .teardown.single        = takedown_cpu,
        .cant_stop              = true,
},

 

do_idle状态机会调用

 

    arch_cpu_idle_dead
        cpu_die
            cpu_die
                psci_cpu_die
                    psci_ops.cpu_off
                        psci_0_2_cpu_off

 

 psci_0_2_cpu_off会调用__psci_cpu_off(PSCI_0_2_FN_CPU_OFF, state);最终发送smc指令给ATF，上面的cpu down流程汇总如下图：

cpu up流程：

具体代码自己加log，或者打断点看好些。

3. ATF中处理

    之前在电源管理入门-1关机重启详解中介绍的PSCI协议部分，这里会发送smc指令到ATF。在ATF中同理,会处理这些PSCI协议，这里不详细介绍了。

后记

 本篇文章尝试用markdown进行编写，图片用Midjourney生成，感觉效果还可以，之前每篇文章的排版很费时间。markdown可以只保留最小的一些格式，把注意力关注到文章内容本身，提高效率才能多写一些文章进行更新。

　　审核编辑：汤梓红