服务器评测
这个 分三部分的系列 帮助您调整系统以提高能源效率。在第 2 部分中，详细了解 Linux? CPUfreq 子系统的一般设置，以及关于五个内核调控器（performance、powersave、userspace、ondemand 和 conservative）的更多信息和设置。
CPUfreq 的一般设置
我们先来介绍 Linux CPUfreq 子系统的使用设置并提供一些接口选项，看看使用它是多么容易。先讨论一些一般设置：
/sys 接口
cpuspeed 设置文件
cpufreq-utils
使用 /sys 接口
/sys 文件系统为 CPUfreq 提供用户接口，起点是 /sys/devices/system/cpu/。其中一些文件是可写的（由根用户写），其他文件是只读的。
首先，看看 /sys/devices/system/cpu/。在这里会找到每个逻辑 CPU 的目录和 sched_mc_power_savings 可调项，如果在系统上可用的话，还会找到 sched_smt_power_savings 可调项（稍后讨论）。
清单 1. 检查 /sys/devices/system/cpu/ 的内容
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# ls
cpu0 cpu1 cpu2 cpu3 cpu4 cpu5 cpu6 cpu7 sched_mc_power_savings
在每个处理器的目录内是一个 cpufreq 目录，它包含 CPUfreq 接口：
清单 2. 检查 cpufreq 目录
[root@systemx cpu]# cd cpu0/cpufreq/
[root@systemx cpufreq]# ls -l
total 0
-r–r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 affected_cpus
-r——– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 cpuinfo_cur_freq
-r–r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 cpuinfo_max_freq
-r–r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 cpuinfo_min_freq
-r–r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_available_frequencies
-r–r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_available_governors
-r–r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_cur_freq
-r–r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_driver
-rw-r–r– 1 root root 0 Nov 5 11:44 scaling_governor
-rw-r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_max_freq
-rw-r–r– 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_min_freq
如果调控器设置为 conservative 或 ondemand，还会在这里看到与调控器同名的目录。我们稍后讨论如何改变调控器。
对于每个调控器，都可以使用这些文件。我们将讨论每个设置的意义以及如何修改它们；然后讨论这个接口之外与调控器相关的一些设置。注意，对于每个处理器，cpufreq 目录下的设置可以不一样，因此要想跨处理器应用一致的策略，就必须按照后面的说明修改每个处理器的设置值。
首先，affected_cpus 显示修改频率会影响哪些处理器。由于硬件和/或软件的关联，一些处理器的频率是相互依赖的，必须同时修改频率。例如，可能会看到这种设置：
清单 3. 检查修改频率会影响哪些处理器
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu
[root@systemx cpu]# grep . cpu*/cpufreq/affected_cpus
cpu0/cpufreq/affected_cpus:0 1
cpu1/cpufreq/affected_cpus:0 1
cpu2/cpufreq/affected_cpus:2 3
cpu3/cpufreq/affected_cpus:2 3
接下来，cpuinfo_cur_freq 显示处理器当前的运行频率。scaling_cur_freq 文件列出调控器当前使用的扩展频率。
清单 4. 检查频率
[root@systemx cpufreq]# cat cpuinfo_cur_freq
2997000
[root@systemx cpufreq]# cat scaling_cur_freq
2997000
这个接口中列出的所有频率都以 KHz 为单位。
下面一些文件提供可用处理器频率的相关信息。cpuinfo_max_freq 和 cpuinfo_min_freq 文件包含系统可用的最大和最小频率；scaling_available_frequencies 显示所有可用频率。
清单 5. 检查最大、最小和可用频率
[root@systemx cpufreq]# cat cpuinfo_max_freq
2997000
[root@systemx cpufreq]# cat cpuinfo_min_freq
1998000
[root@systemx cpufreq]# cat scaling_available_frequencies
2997000 2664000 2331000 1998000
scaling_available_governors 文件列出可用的所有调控器。如果没有看到全部五个调控器，要检查在配置文件中是否启用了所有调控器并确保按第 1 部分中的说明装载了调控器的模块。
清单 6. 检查可用的调控器
[root@systemx cpufreq]# cat scaling_available_governors
ondemand powersave conservative userspace performance
scaling_driver 文件说明系统正在运行哪个 cpufreq 驱动程序。典型的驱动程序包括 acpi、speedstep-smi、speedstep-centrino、powernor_k8、powernow_k7、longhaul 等。如果希望改变驱动程序，需要先卸载正在使用的驱动程序，然后再装载另一个驱动程序。另外，在使用之前，一定要检查驱动程序是否适用于您的处理器。
清单 7. 检查系统正在运行哪个 cpufreq 驱动程序
[root@systemx cpufreq]# cat scaling_driver
centrino
这个目录中的其他文件可以由根用户写，可以通过它们修改一些 cpufreq 设置。这些文件只包含允许用户修改的 powersave 和 performance 调控器设置。其他调控器有更多设置可用，我们在下一节中讨论。
首先，scaling_governor 文件显示当前启用的调控器。要想改变调控器，只需把新调控器的名称 echo 到这个文件中。注意，要想应用一致的策略，必须对每个处理器这么做。例如：
清单 8. 检查启用的调控器并改变调控器
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# ls
cpu0 cpu1 cpu2 cpu3 cpu4 cpu5 cpu6 cpu7 sched_mc_power_savings
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_governor
performance
[root@systemx cpu]# echo conservative > cpu0/cpufreq/scaling_governor
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_governor
conservative
scaling_max_freq 和 scaling_min_freq 文件显示调控器可用的最大和最小频率。通过把一个可用的频率 echo 到这些文件中，用户可以修改调控器可用频率的范围。注意，这个频率必须是 scaling_available_frequencies 中列出的频率之一，因为这些是系统可用的所有处理器频率。同样，必须对每个处理器这么做。例如：
清单 9. 修改调控器可用的频率
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_available_frequencies
2997000 2664000 2331000 1998000
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_max_freq
2997000
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_min_freq
1998000
[root@systemx cpu]# echo 2331000 > cpu0/cpufreq/scaling_min_freq
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_min_freq
2331000
使用 cpuspeed 设置文件
除了像前面提到的那样直接 echo 设置值，用户还可以使用 cpuspeed 设置文件修改驱动程序、调控器、最大速度、最小速度、利用率阈值和 ignore_nice_load 设置。RHEL 5.2 附带 cpuspeed，但是其他 Linux 发行版可能不包含这个包。如果您的发行版不包含 cpuspeed，可以 下载 carlthompson.net 版本；README 中提供安装说明。要想使用 cpuspeed 的 RHEL 5.2 版本，只需编辑 /etc/sysconfig/cpuspeed 文件，在文件中设置任何变量值，然后执行以下命令：
/etc/init.d/cpuspeed restart
这个命令会让新设置生效。请记住，必须装载相应的调控器模块，才能开始使用调控器，除非它已经是内置的。
使用 cpufreq-utils
RHEL 5.2 和其他一些发行版还附带 cpufreq-utils 包，它为 CPUfreq 子系统提供另一个用户接口。大多数其他发行版应该也包含这个包。在安装 cpufreq-utils rpm 时，会得到两个实用程序 cpufreq-info 和 cpufreq-set。
cpufreq-info 实用程序列出处理器的相关信息及其 CPUfreq 设置，比如当前频率、频率限制、CPUfreq 驱动程序、当前策略、当前调控器和 affected-cpus 列表。
在启用 userspace 调控器时，cpufreq-set 实用程序让用户可以修改每个处理器的可用频率范围、使用的调控器和当前运行频率。更多信息见 cpufreq-info 和 cpufreq-set 手册页。
与调控器相关的设置
现在讨论用户可以在内核调控器中修改的设置。
powersave 和 performance 调控器
这两个调控器分别把处理器频率静态地设置为最低和最高频率。用户只能修改前一节中讨论的设置。
userspace 调控器
现在开始讨论与调控器相关的设置。如果启用 userspace 调控器，还会在 cpufreq 目录中看到 scaling_setspeed 文件，根用户可以写这个文件。这个调控器让用户或用户空间中的程序可以交互地修改处理器频率。用户可以把所需的频率 echo 到这个文件中，一些用户空间守护进程也可以设置这个值。正如对前面讨论的文件所做的，必须修改每个处理器的 scaling_setspeed 文件。
许多守护进程使用 userspace 调控器调整处理器频率；下面是几个例子：
cpudyn（CPU 动态频率控制）：这个守护进程根据处理器负载修改基本频率，还可以在没有活动时让磁盘进入备用状态以节省能源。
cpufreqd：这个守护进程可以对电池电压、AC 状态、温度、正在运行的程序、处理器使用量等做出反应。
cpuspeed：这个守护进程可以根据处理器需求、电源变化、温度等改变频率。
powernowd：这个调控器守护进程根据处理器负载改变基本频率，用户可以选择四种行为模式。
ondemand 调控器
如果装载 ondemand 调控器，会在 cpufreq 目录中看到 ondemand 目录。在这个目录中，有许多可调的设置。对于可由根用户写的所有文件，可以通过 echo 新的设置值来修改。注意，对 ondemand 设置的任何修改会应用于整个系统范围，所以不需要为每个处理器修改设置。
清单 10. 检查 ondemand 的可调设置
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ondemand/
[root@systemx ondemand]# ls -l
total 0
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 10:30 ignore_nice_load
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 10:30 powersave_bias
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 10:30 sampling_rate
-r–r–r– 1 root root 4096 Nov 19 10:30 sampling_rate_max
-r–r–r– 1 root root 4096 Nov 19 10:30 sampling_rate_min
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 10:30 up_threshold
ignore_nice_load 文件可以设置为 0 或 1（0 是默认设置）。当这个参数设置为 1 时，任何具有 “nice” 值的处理器不计入总处理器利用率。在设置为 0 时，所有处理器都计入利用率。如果运行的某个程序需要大量处理器，但是您不关心运行时间，就可以使用这个设置。如果把 “nice” 设置应用于进程，就可以避免它受到频率调整的影响。
接下来，powersave_bias 文件可以略微改变 ondemand 调控器的行为，它在用户不太关心性能的情况下把目标频率降低指定的百分比，从而节省更多电力。这个设置可以设置为 1 到 1000 之间的值，这会使频率下降百分之 0.1 到百分之百。
sampling_rate（以微秒为单位）决定调控器间隔多长时间检查处理器利用率，以便决定设置什么频率。这个设置必须设置为 sampling_rate_min 和 sampling_rate_max 之间的值。
最后，up_threshold 设置允许用户修改最大处理器利用率阈值，这个阈值触发处理器频率修改。在默认情况下，up_threshold 值为 80。这意味着，内核将按照 sampling_rate 指定的时间间隔检查处理器利用率，如果超过了百分之 80，调控器会把频率提高到可用的最大频率。
conservative 调控器
如果装载 conservative 调控器，会在 cpufreq 目录中看到 conservative 目录。在这个目录中，有许多可调的设置。对于可由根用户写的所有文件，可以通过 echo 新的设置值来修改。注意，对 conservative 设置的任何修改会应用于整个系统范围，所以不需要为每个处理器修改设置。
清单 11. 检查 conservative 的可调设置
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/conservative/
[root@systemx conservative]# ls -l
total 0
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 down_threshold
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 freq_step
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 ignore_nice_load
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_down_factor
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_rate
-r–r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_rate_max
-r–r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_rate_min
-rw-r–r– 1 root root 4096 Nov 19 11:31 up_threshold
ignore_nice_load、sampling_rate、sampling_rate_max、sampling_rate_min 和 up_threshold 设置与前面讨论的 ondemand 调控器中的设置相同。
conservative 调控器还允许用户设置 down_threshold。例如，在默认情况下 down_threshold 设置为 20。这意味着，内核将按照 sampling_rate 指定的时间间隔检查处理器利用率，如果低于百分之 20，调控器会降低频率。
freq_step 设置修改调控器在调整 CPU 频率时使用的频率步长（包括提高和降低两个方向）。在默认情况下，这个值设置为 5，这意味着，在每次决定调整频率时，调控器调整频率的幅度为最大或最小频率的百分之 5。如果把这个值设置为 100，这个调控器的表现会与 ondemand 调控器完全一样。
最后，sampling_down_factor 作为 sampling_rate 的乘数，放宽处理器利用率取样的时间间隔。例如，如果 sampling_rate 设置为 10,000，而 sampling_down_factor 设置为 2，那么处理器利用率取样的时间间隔为 20,000 微秒。
调度器可调项
现在，讨论两个调度器可调项 —
sched_mc_power_savings 用于在核上调度进程。
sched_smt_power_savings 用于在核上的超线程上调度进程。
sched_mc_power_savings
sched_mc_power_savings 是 /sys/devices/system/cpu/ 目录中的调度器可调项。如果要使用这个可调项，不要忘了把 CONFIG_SCHED_MC 配置文件选项设置为 y（见 减少 Linux 耗电，第 1 部分：CPUfreq 子系统 中的设置部分）。
清单 12. 检查 sched_mc_power_savings 的位置
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# ls -l
total 0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu1
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu2
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu3
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu4
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu5
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu6
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu7
-rwxrwxr-x 1 root root 4096 Nov 19 09:54 sched_mc_power_savings
sched_mc_power_savings 文件可以设置为 0 或 1；0 是默认设置。在设置为 1 时，调度器尝试在尽可能少的核上调度进程，让其他核可以空闲。换句话说，如果所有处理器都不太忙，那么 sched_mc_power_savings 尝试把工作整合在尽可能少的处理器上。然后就可以让一些处理器空闲，从而进一步节省电力，尤其是在处理器支持 C 状态等深度睡眠状态的情况下（在这种状态下处理器在空闲时只消耗非常少的电力）。实际节省的电力取决于许多因素，包括可用处理器的数量和正在运行哪种 CPUfreq 调控器。当 sched_mc_power_savings 设置为 0 时，不执行特殊的调度。
sched_smt_power_savings
sched_smt_power_savings 可调项也是 /sys/devices/system/cpu/ 目录中的调度器可调项；但是，这个可调项只适用于支持超线程的系统。如果要使用这个可调项，不要忘了把 CONFIG_SCHED_SMT 配置文件选项设置为 y（见第 1 部分中的设置部分）。
清单 13. 检查 sched_smt_power_savings 的位置
[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# ls -l
total 0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu1
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu2
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu3
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu4
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu5
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu6
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu7
-rwxrwxr-x 1 root root 4096 Nov 19 09:54 sched_mc_power_savings
-rwxrwxr-x 1 root root 4096 Nov 19 09:54 sched_smt_power_savings
与 sched_mc_power_savings 设置相似，sched_smt_power_savings 文件可以设置为 0 或 1；0 是默认设置。在设置为 1 时，调度器尝试在核上尽可能少的超线程上调度进程，让其他超线程可以空闲，进而通过空闲 C 状态节省电力。
结束语
在第 3 部分中，我将以两个流行的配置工作负载为例，讨论每个调控器在不同工作负载上可以产生的效果。
参考资料
学习
阅读关于电力消耗的其他资料：
教程 “How to make use of Dynamic Frequency Scaling”
教程 “Enhanced Intel SpeedStep Technology and Demand-Based Switching on Linux”
文章 “Making power policy just work”（关于电力调度器）
文章 “CPU frequency scaling in Linux”
文档 “Linux CPUfreq Governors”（关于 Linux 内核中的 CPU 频率和电压扩展代码）
Gentoo “Power Management Guide”（警告：适用于笔记本计算机，除非有把握，不要应用于服务器！）
教程 “How to use CPU frequency scaling (cpufreq)”
wiki 文章 CPU Frequency Scaling
教程 “Scheduler tunables for multi-socket systems”
kernel.org 中关于 CPUfreq subsystem 的数据
下面是使用 userspace 调控器调整处理器频率的守护进程的信息：
cpudyn 是 CPU 动态频率控制守护进程，它根据处理器负载改变基本频率；还能够让磁盘进入备用状态。
cpufreqd 守护进程可以对电池电压、AC 状态、温度、正在运行的程序、处理器使用量等做出反应。
cpuspeed 守护进程可以根据处理器需求、电源变化、温度等改变频率。
powernowd 守护进程根据处理器负载改变基本频率，有四种行为模式。
查阅 支持 CPUfreq 子系统的硬件列表。
在重新构建/重新启动内核方面需要帮助吗？看看 Kwan Lowe 的 “Kernel Rebuild Guide”。
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关于作者
Jenifer Hopper 在 IBM 位于美国德克萨斯州 Asutin 的 Linux 性能小组担任软件工程师。她目前致力于高性能计算（High Performance Computing，HPC）、能源工作负荷以及系统探查器和数据分析工具。
