上一小節(jié)介紹了CPU的調(diào)頻，那么其他設備例如DDR、USB、SPI，還有很多子系統(tǒng)有自己的R核或者M核例如NPU、ISP等都需要調(diào)頻，那必須OPP給安排上，然后調(diào)頻就需要我們這里說的DevFreq框架。

1. 整體介紹

1.1 Devfreq基礎概念

OPP：

復雜SoC由多個子模塊協(xié)同工作組成,在運行中并非SoC中的所有模塊都需要始終保持最高性能。為方便起見，將SoC中的子模塊分組為域，從而允許某些域以較低的電壓和頻率運行，而其他域以較高的電壓/頻率對運行。對于這些設備支持的頻率和電壓對，我們稱之為OPP（Operating Performance Point）。對于具有OPP功能的非CPU設備，本文稱之為OPP device，需要通過devfreq進行動態(tài)的調(diào)頻調(diào)壓。

Devfreq：

devfreq：Generic Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) Framework for Non-CPU Devices。是由三星電子MyungJoo Ham myungjoo.ham@samsung.com，提交到社區(qū)。原理和/deivers/cpufreq 非常近似。但是cpufreq驅動并不允許多個設備來注冊，而且也不適合不同的設備具有不同的governor。devfreq則支持多個設備，并且允許每個設備有自己對應的governor。

如下圖，devfreq framework是功耗子系統(tǒng)的一部分，與cpufreq，cpuidle，powermanager相互配合協(xié)作，達到節(jié)省系統(tǒng)功耗的目的。

1.2 devfreq框圖

整個devfreq framework中的三大部分組成：

1. Devfreq core：devfreq framework的核心，一方面提供需要調(diào)頻調(diào)壓設備及governor的注冊方法，通過devfreq_list及governor_list分別管理所有的調(diào)頻調(diào)壓設備及注冊進系統(tǒng)的governor。另一方面，提供具體調(diào)頻調(diào)壓的處理邏輯，通過從governor獲取目標頻率，提供update_devfreq方法供governor調(diào)用，從而實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓。
2. Governor：具體的調(diào)頻策略，需要devfreq framework提供的接口進行注冊。內(nèi)核中已經(jīng)支持如下策略：

• simple_ondemand：按需調(diào)整模式；根據(jù)系統(tǒng)負載，動態(tài)地調(diào)整頻率、電壓，平衡性能和功耗。
• Performance：性能優(yōu)先模式，將頻率及電壓調(diào)整到最大。
• Powersave：功耗優(yōu)先模式，將頻率及電壓調(diào)整到最小。
• Userspace：用戶指定模式，用戶通過提供的文件節(jié)點，根據(jù)需要設置的頻率及電壓。
• Passive：被動模式，使用設備指定方法做頻率、電壓調(diào)整，或跟隨父devfreq設備的governor進行調(diào)整。

3. Devfreq device driver：需要調(diào)頻調(diào)壓的設備驅動，需要通過devfreq framework提供的接口進行注冊。會通過opp庫提供的dts解析函數(shù)解析opp頻率、電壓對。在調(diào)頻的時候，根據(jù)opp庫提供頻率、電壓調(diào)整接口借助clk、regulator框架進行調(diào)頻調(diào)壓。在查詢當前頻率時，通過get_cur_freq查詢當前的頻率。

可以看到這里DevFreq和CPUFreq的套路基本一樣。

1.3 sysfs用戶接口

這里以DDR為例：/sys/devices/platform/dmc0/devfreq/devfreq0目錄下面

• available_frequencies: 可用的頻率列表
• available_governors：可用的governor
• cur_freq：當前頻率
• governor: 當前governor
• max_freq：最大頻率
• min_freq ：最小頻率
• polling_interval：governor調(diào)度的時間間隔，單位是ms
• target_freq：目標頻率
• trans_stat：狀態(tài)調(diào)整表

代碼實現(xiàn)在kernel/drivers/devfreq/devfreq.c中

static struct attribute *devfreq_attrs[] = {
        &dev_attr_governor.attr,
        &dev_attr_available_governors.attr,
        &dev_attr_cur_freq.attr,
        &dev_attr_available_frequencies.attr,
        &dev_attr_target_freq.attr,
        &dev_attr_polling_interval.attr,
        &dev_attr_min_freq.attr,
        &dev_attr_max_freq.attr,
        &dev_attr_trans_stat.attr,
        NULL,
};
ATTRIBUTE_GROUPS(devfreq);

2. Linux 關鍵數(shù)據(jù)結構和API實現(xiàn)

2.1 主要數(shù)據(jù)結構

devfreq數(shù)據(jù)結構和模塊關系圖

2.1.1 devfreq_dev_profile

devfreq profile結構體，是OPP device注冊到devfreq framework的數(shù)據(jù)結構，主要包含OPP設備的頻率相關信息和相關的回調(diào)函數(shù)，是devfreq framework和OPP device driver的交互接口。

struct devfreq_dev_profile {
    /*devfreq初始化頻率*/
    unsigned long initial_freq;
    /*governor輪詢的時間間隔，單位ms，0禁止*/
    unsigned int polling_ms;

    /*devfreq framework設置OPP device頻率的回掉函數(shù)*/int (*target)(struct device *dev, unsigned long *freq, u32 flags);
    /*devfreq framework獲取OPP device負載狀態(tài)的回掉函數(shù)*/int (*get_dev_status)(struct device *dev, struct devfreq_dev_status *stat);
    /*devfreq framework獲取OPP device當前頻率的回掉函數(shù)*/int (*get_cur_freq)(struct device *dev, unsigned long *freq);
    /*devfreq framework退出時對OPP device的回掉函數(shù)*/void (*exit)(struct device *dev);

    /*OPP device支持的頻率表*/
    unsigned long *freq_table;
    /*freq_table表的大小*/
    unsigned int max_state;
};

初始化使用：

static struct devfreq_dev_profile xxx_devfreq_dmc_profile = {
        .polling_ms        = 300,
        .target                = xxx_dmcfreq_target,
        .get_dev_status        = xxx_dmcfreq_get_dev_status,
        .get_cur_freq        = xxx_dmcfreq_get_cur_freq,
};

2.1.2 devfreq_governor

devfreq governor結構體，是governor注冊到devfreq framework的數(shù)據(jù)結構，主要包含governor的相關屬性和具體的函數(shù)實現(xiàn)。是devfreq framework和governor交互接口。

struct devfreq_governor {
    struct list_head node;

    /*該governor的名稱*/const char name[DEVFREQ_NAME_LEN];
    /*governor是否可以切換的標志，若為1表示不可切換*/const unsigned int immutable;
    /*governor注冊到devfreq framework的算法實現(xiàn)函數(shù)，返回調(diào)整后的頻率*/int (*get_target_freq)(struct devfreq *this, unsigned long *freq);
    /*governor注冊到devfreq framework的event處理函數(shù)，處理start,stop,suspend,resume等event*/int (*event_handler)(struct devfreq *devfreq, unsigned int event, void *data);
};

例如使用simple_ondemand

static struct devfreq_governor devfreq_simple_ondemand = {
        .name = "simple_ondemand",
        .get_target_freq = devfreq_simple_ondemand_func,
        .event_handler = devfreq_simple_ondemand_handler,
};

2.1.3 devfreq

devfreq設備結構體，這個是devfreq設備的核心數(shù)據(jù)結構。將上述的OPP device driver的devfreq_dev_profile和governor的devfreq_governor連接到一起，并通過設備驅動模型中device類，為user 空間提供接口。

struct devfreq {
    struct list_head node;

    struct mutex lock;
    struct mutex event_lock;
    /*其class屬于devfreq_class，父節(jié)點指向使用devfreq的device*/struct device dev;
    /*OPP device注冊到devfreq framework的配置信息*/struct devfreq_dev_profile *profile;
    /*governor注冊到devfreq framework的配置信息*/const struct devfreq_governor *governor;
    /*devfreq的governor的名字*/char governor_name[DEVFREQ_NAME_LEN];
    struct notifier_block nb;
    /*負載監(jiān)控使用的delayed_work*/struct delayed_work work;

    unsigned long previous_freq;
    struct devfreq_dev_status last_status;
    /*OPP device傳遞給governor的私有數(shù)據(jù)*/void *data; /* private data for governors */

    ......
};

這個數(shù)據(jù)結構是生成的，沒有初始化值。

2.2 devfreq初始化

三個模塊：framework、governor、device相關的初始化，其中device靠后。

2.2.1 Devfreq framework初始化

在drivers/devfreq/devfreq.c中，devfreq_init（）函數(shù)

static int __init devfreq_init(void)
{
        devfreq_class = class_create(THIS_MODULE, "devfreq"); //創(chuàng)建devfreq設備類
        if (IS_ERR(devfreq_class)) {
                pr_err("%s: couldn't create class
", __FILE__);
                return PTR_ERR(devfreq_class);
        }
        //創(chuàng)建工作隊列，用于負載監(jiān)控work調(diào)用運行
        devfreq_wq = create_freezable_workqueue("devfreq_wq");
        if (!devfreq_wq) {
                class_destroy(devfreq_class);
                pr_err("%s: couldn't create workqueue
", __FILE__);
                return -ENOMEM;
        }
        //加入到subsys_initcall，系統(tǒng)啟動時初始化
        devfreq_class->dev_groups = devfreq_groups;

        return 0;
}
subsys_initcall(devfreq_init);

devfreq_groups就是上面說的sysfs用戶接口

ATTRIBUTE_GROUPS(devfreq);
#define ATTRIBUTE_GROUPS(_name)                                        
static const struct attribute_group _name##_group = {                
        .attrs = _name##_attrs,                                        
};

2.2.2 governors 初始化

系統(tǒng)中可支持多個governors，在系統(tǒng)啟動時進行初始化，并注冊到devfreq framework中， 后續(xù)OPP device創(chuàng)建devfreq設備，會根據(jù)governor名字從已經(jīng)初始化好的governor 列表中，查找對應的governor實例。

下面以simple_ondemand為例子，看下初始化過程：在drivers/devfreq/governor_simpleondemand.c中

//填充governor的結構體，不同的governor，會有不同的實現(xiàn)。
static struct devfreq_governor devfreq_simple_ondemand = {
        .name = "simple_ondemand",
        .get_target_freq = devfreq_simple_ondemand_func,
        .event_handler = devfreq_simple_ondemand_handler,
};

static int __init devfreq_simple_ondemand_init(void)
{
        return devfreq_add_governor(&devfreq_simple_ondemand);
}

//加入到subsys_initcall，系統(tǒng)啟動時初始化。
subsys_initcall(devfreq_simple_ondemand_init);

初始化將governor加入到devfreq framework的governor列表中。

devfreq_add_governor->list_add(&governor->node, &devfreq_governor_list);

2.2.3 OPP device初始化

這里我們就以DDR為例子 drivers/devfreq/dmc.c中，系統(tǒng)根據(jù)DTS描述添加對應驅動程序

static const struct of_device_id xxxdmc_devfreq_of_match[] = {
        { .compatible = "xxx-dmc" },
        { },
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, xxxdmc_devfreq_of_match);
static struct platform_driver xxx_dmcfreq_driver = {
        .probe        = xxx_dmcfreq_probe,
        .driver = {
                .name        = "xxx-dmc-freq",
                .pm        = &xxx_dmcfreq_pm,
                .of_match_table = xxxdmc_devfreq_of_match,
        },
};
module_platform_driver(xxx_dmcfreq_driver);
xxx_dmcfreq_probe

匹配"xxx-dmc"會執(zhí)行掃描函數(shù)xxx_dmcfreq_probe（）

static int xxx_dmcfreq_probe(struct platform_device *pdev)
{
    //ctx是自定義的一個數(shù)據(jù)結構，用于存放各種DDR dvfs相關信息
    ctx = devm_kzalloc(dev, sizeof(struct xxx_dmcfreq), GFP_KERNEL);
    
    //找到clk信息
    struct device *dev = &pdev->dev;
    ctx->dmc_clk = devm_clk_get(dev, "dmc_clk");

    //負載計數(shù)啟動
    ctx->edev = devfreq_event_get_edev_by_phandle(dev, 0);
    if (IS_ERR(ctx->edev))
            return -EPROBE_DEFER;
    ret = devfreq_event_enable_edev(ctx->edev);

    //給dev添加opp信息
    if (dev_pm_opp_of_add_table(dev)) {
            dev_err(dev, "Invalid operating-points in device tree.
");
            return -EINVAL;
    }

    ctx->rate = clk_get_rate(ctx->dmc_clk);

    opp = devfreq_recommended_opp(dev, &ctx->rate, 0);
    ctx->rate = dev_pm_opp_get_freq(opp);
    dev_pm_opp_put(opp);
    xxx_devfreq_dmc_profile.initial_freq = ctx->rate;

    ctx->devfreq = devm_devfreq_add_device(dev,
                                       &xxx_devfreq_dmc_profile,
                                       "simple_ondemand",
                                       &ctx->ondemand_data);

    //計算出最大最小值
    ctx->devfreq->min_freq = ULONG_MAX;
    ctx->devfreq->max_freq = 0;
    max_opps = dev_pm_opp_get_opp_count(dev);
    for (i = 0, rate = 0; i < max_opps; i++, rate++) {
            opp = dev_pm_opp_find_freq_ceil(dev, &rate);
            if (ctx->devfreq->min_freq > rate)
                    ctx->devfreq->min_freq = rate;
            if (ctx->devfreq->max_freq < rate)
                    ctx->devfreq->max_freq = rate;
    }

    devm_devfreq_register_opp_notifier(dev, ctx->devfreq);

    ctx->dev = dev;
    platform_set_drvdata(pdev, ctx);

    return 0;
}

pdev的名字是dmc0，對應dts中

    dmc_0: dmc0 {
                compatible = "xxx-dmc";
                devfreq-events = <&ddr_monitor0>;
                operating-points-v2 = <&dmc_opp_table>;
                clocks = <&dmc0_clk>;
                clock-names = "dmc_clk";
    };

其他信息都是在這里定義的。

struct xxx_dmcfreq {
        struct device *dev;
        struct devfreq *devfreq;
        struct devfreq_simple_ondemand_data ondemand_data;
        struct clk *dmc_clk;
        struct devfreq_event_dev *edev;
        struct mutex lock;

        unsigned long rate, target_rate;
};

devm_devfreq_add_device（）函數(shù)會調(diào)用devfreq_add_device（）進行注冊devfreq

devfreq_add_device devfreq_add_device 創(chuàng)建devfreq設備的主要流程如下：

//devfreq device申請內(nèi)存空間 初始化devfreq device結構體后，注冊設備。
device_register(&devfreq->dev);

//根據(jù)傳入的governor名字，從governor列表中，獲取對應的governor實例。
governor = find_devfreq_governor(devfreq->governor_name);

//發(fā)送DEVFREQ_GOV_START到governor，開始管理OPP device的頻率。
err = devfreq->governor->event_handler(devfreq, DEVFREQ_GOV_START, NULL);

##2.3 simple_ondemand調(diào)頻

• devfreq framework是大管家負責監(jiān)控程序的運行，
• governor提供管理算法，
• OPP device提供自身的負載狀態(tài)和頻率設置的方法實現(xiàn)。

exynos芯片，simple_ondemend策略調(diào)頻調(diào)壓流程圖

2.3.1 governor啟動監(jiān)控

初始化的時候在上面2.2.3過程中，會調(diào)用devfreq_add_device（）會給governor發(fā)DEVFREQ_GOV_START消息，simple_ondemand governor收到處理函數(shù)為：

static int devfreq_simple_ondemand_handler(struct devfreq *devfreq,
                                unsigned int event, void *data)
{
        switch (event) {
        case DEVFREQ_GOV_START:
                devfreq_monitor_start(devfreq);
                break;

devfreq_monitor_start（）開始啟動調(diào)度程序devfreq_monitor

void devfreq_monitor_start(struct devfreq *devfreq)
{
        INIT_DEFERRABLE_WORK(&devfreq->work, devfreq_monitor);
        if (devfreq->profile->polling_ms)
                queue_delayed_work(devfreq_wq, &devfreq->work,
                        msecs_to_jiffies(devfreq->profile->polling_ms));
}
EXPORT_SYMBOL(devfreq_monitor_start);

2.3.2 monitor輪詢監(jiān)控

devfreq_monitor每隔devfreq->profile->polling_ms時間，會調(diào)度監(jiān)控程序工作。工作函數(shù)為update_devfreq()

int update_devfreq(struct devfreq *devfreq)
{
        //獲取頻率
        devfreq->governor->get_target_freq(devfreq, &freq);

        devfreq->profile->get_cur_freq(devfreq->dev.parent, &cur_freq);
      
        freqs.old = cur_freq;
        freqs.new = freq;
        devfreq_notify_transition(devfreq, &freqs, DEVFREQ_PRECHANGE);
        
        //設置頻率
        devfreq->profile->target(devfreq->dev.parent, &freq, flags);

        freqs.new = freq;
        devfreq_notify_transition(devfreq, &freqs, DEVFREQ_POSTCHANGE);
  }

這里獲取頻率和設置頻率每次都執(zhí)行，不比較頻率是否相同，在設置處理的時候才比較。

2.3.3 governor計算頻率

devfreq->governor->get_target_freq對應函數(shù)為：devfreq_simple_ondemand_func（）

static int devfreq_simple_ondemand_func(struct devfreq *df,
                                        unsigned long *freq)
{
        //通過device回調(diào)函數(shù)，獲取當前狀態(tài)，然后計算新的頻率
        err = devfreq_update_stats(df);
        
        //新頻率的算法，根據(jù)閾值和當前負載計算
        a = stat->busy_time;
        a *= stat->current_frequency;
        b = div_u64(a, stat->total_time);
        b *= 100;
        b = div_u64(b, (dfso_upthreshold - dfso_downdifferential / 2));
        *freq = (unsigned long) b;
        if (df->min_freq && *freq < df->min_freq)
                *freq = df->min_freq;
        if (df->max_freq && *freq > df->max_freq)
                *freq = df->max_freq;
}

devfreq_update_stats會執(zhí)行：df->profile->get_dev_status(df->dev.parent, &df->last_status); 見2.3.4分析

2.3.4 device獲取和設置頻率

static struct devfreq_dev_profile xxx_devfreq_dmc_profile = {
        .polling_ms        = 200,
        .target                = xxx_dmcfreq_target,
        .get_dev_status        = xxx_dmcfreq_get_dev_status,
        .get_cur_freq        = xxx_dmcfreq_get_cur_freq,
};

xxx_dmcfreq_get_dev_status（）獲取當前device負載信息，根據(jù)算法，返回調(diào)整頻率。

        ret = devfreq_event_get_event(dmcfreq->edev, &edata);
        if (ret < 0)
                return ret;

        stat->current_frequency = dmcfreq->rate;
        stat->busy_time = edata.load_count;
        stat->total_time = edata.total_count;

獲取運行狀態(tài)信息，供monitor中devfreq_update_stats（）函數(shù)使用

update_devfreq中最后會設置頻率xxx_dmcfreq_target（） xxx_dmcfreq_target（）->clk_set_rate()->dmc_set_rate()->SMC指令 xxx_ddr在dtsi中定義

                xxx_ddr: xxx_ddr {
                        compatible = "xxx-ddr";
                        method = "smc";
                        fid = <0x82000008>;
                        test_cmd = <0x00000000>;
                        get_channels_cmd = <0x00000001>;
                        set_cmd = <0x00000010>;
                        get_cmd = <0x00000011>;
                };

執(zhí)行這個smc指令后返回值為2，是channel的最大值，用于校驗。

注冊完了之后，clk會獲取rate調(diào)用dmc_recalc_rate（）函數(shù)，發(fā)送smc命令0x82000008 0x00000011 0 獲取了rate值為4266000 這里利用ATF把這個寄存器設置給封裝了。

3. ATF相關軟件標準流程

為什么操作的動作要放在ATF里面？

• 為了安全，進入安全世界才能操作，普通應用app進不去
• 為了進入AON（Always ON）一直運行的非DDR區(qū)域運行，例如SRAM

0x82000008 SMC可以查詢ARM的SMC手冊

可以參考atf中rk的實現(xiàn)，ddr_get_rate（）函數(shù) 在plat/rockchip/common/rockchip_sip_svc.c中

/* Define a runtime service descriptor for fast SMC calls */
DECLARE_RT_SVC(
rockchip_sip_svc,
OEN_SIP_START,
OEN_SIP_END,
SMC_TYPE_FAST,
NULL,
sip_smc_handler
);

sip_smc_handler--》rockchip_plat_sip_handler--》ddr_smc_handler

uint32_t ddr_smc_handler(uint64_t arg0, uint64_t arg1,
 uint64_t id, uint64_t arg2)
{
switch (id) {
case DRAM_SET_RATE:
return ddr_set_rate((uint32_t)arg0);
case DRAM_ROUND_RATE:
return ddr_round_rate((uint32_t)arg0);
case DRAM_GET_RATE:
return ddr_get_rate();
case DRAM_SET_ODT_PD:
dram_set_odt_pd(arg0, arg1, arg2);
break;
default:
break;
}

return 0;
}

這里對于DDR的調(diào)頻代碼需要放到AON區(qū)域，系統(tǒng)中除了DDR還有SRAM，DDR調(diào)頻的代碼不能放到DDR里面，或者使用硬件DMC實現(xiàn)。

DMC調(diào)頻 是用軟件來升頻或者降頻，軟件是運行在SOC的system controller上的，常常是Cortex-M CPU，調(diào)頻的時候DMC不會阻止CPU transfers，DMC自己有buffer，可以繼續(xù)接收，只是不會發(fā)給DDR，這些對CPU是透明的，但如果buffer滿了的話，CPU自然就發(fā)不了了，調(diào)頻之后可能需要ddr calibration，我們也都是通過DMC驅動程序來完成的，只是在做這些操作的時候并不會讓系統(tǒng)停下來。

后記

學習ARMV8，RK也就是rockchip是不錯的板子選擇，還記得以前買過螢火蟲的rk板卡，所有軟硬件資料都很全，還挺不錯的。這里的電源管理也算是驅動，學習驅動還是能有個板子調(diào)下，主要區(qū)分是32位還是64位，目前的大型SoC基本都是ARMv8的64位，甚至ARMv9了。