转：cpu性能和功耗相关的内核子系统

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1.1 调度器：时分复用 + 任务调度 —— sched

1.3 有任务：用哪个频率执行任务？—— cpufreq

1.4 无任务：执行轻量级占坑程序 —— idle task

从原理来说，非常简单。产品经理：什么都不做。
从实现来说，非常模糊。程序员：“什么都不做”的代码怎么写？

开发 leader 理解一下需求，从中翻译一下：

先保证一个目标：有任务变成 runnable 时（比如等到了键盘输入），能够恢复调度执行 —— 这决定了内核不能完全退出，比如至少要能主动或被动的响应系统事件；
在保证以上目标的前提下，内核做的事情越少越好 —— 节能减排，延迟处理器使用寿命，降本增效。
最终方案：引入一个特殊任务 idle task（很多资料中也叫 idle loop）， 没有其他任务可调度时，就调度执行它。
从功能上来说，可以认为是一个优先级最低的占坑任务。
从实现来说，idle task 里面做什么都可以 —— 反正这时候这个 CPU 上没有任何其他 runnable tasks。 根据目的的不同，具体实现可以分为两大类：
节能；
低延迟。

1.4.1 直接降低电压和频率，节能

这是主流行为，idle task 里面实现某种降低功耗的逻辑，避免 CPU 空转，节能。 典型配置如 Linux 内核启动项 idle=halt。
这种方式的缺点是从较低功耗（某种程度的睡眠状态）唤醒时有一定的延迟。

1.4.1 直接降低电压和频率，节能
这是主流行为，idle task 里面实现某种降低功耗的逻辑，避免 CPU 空转，节能。 典型配置如 Linux 内核启动项 idle=halt。

这种方式的缺点是从较低功耗（某种程度的睡眠状态）唤醒时有一定的延迟。

1.4.2 仍然全速运行，保持最低唤醒延迟

这类场景比较特殊，比如追求极低延迟的高频交易场景。 没有任务时仍然让 CPU 保持电压和频率空转，不要降压降频， 这样有任务变成 runnable 时可以立即切换执行，延迟最低。 在 Linux 启动项中，对应 idle=poll 配置，后面几篇我们还会多次看到（尤其是这种配置的潜在风险）。

1.4.3 动态降低电压和频率，节能 —— cpuidle 和 c-states

通过一个单独的子系统（cpuidle）来实现不同级别的节能（c-states）。

这里注意和 turbo freq 的区别：

turbo 是部分 CORE 空闲时，有任务在运行的 CORE 可以动态超频， 目的是提高这几个有任务在运行的 CORE 的性能；
cpuidle/c-states 是当前 CORE/CPU 没有任务要运行（空闲 CPU），通过动态降频来节能。

1.5 idle loop 模式之三：空闲时间管理 —— cpuidle

再稍微展开介绍下上面第三种： 队列中如果没有 runnable task，比如所有任务都在等待 IO 事件。 这时候是没有任务需要 CPU 的，因此称为 CPU 空闲状态（idle states）。

空闲状态的下 CPU 该怎么管理，也是一门学问，因此内核又引入了另外一个子系统： cpu 空闲时间管理子系统 cpudile。具体工作内容后面介绍。

1.6 cpuidle + 响应延迟保证：电源管理服务等级 —— PM QoS

如果没有任务时 cpuidle 选择进入某种低电压/低频率的节能模式，当有任务到来时， 它的唤醒时间可能无法满足要求。针对这种情况，内核又引入了功耗管理或称电源管理 服务等级 （PM QoS）子系统。

PM QoS 允许应用注册一个最大 latency，内核确保唤醒时间不会高于这个阈值， 在尽量节能的同时实现快速响应。 具体原理也在后面单独章节介绍。

1.7 小结：各子系统的关系图

2 CPU 频率管理子系统（cpufreq）：调节运行任务时的 p-state

2.1 原理：CPU performance/frequency scaling

3 linux idle loop

3.3 实现：idle loop
这里只是很简单的看一下，下一篇专门介绍内核实现。

简化之后，

while (1) {
while(!need_resched()) {
cpuidle_idle_call();
}

/*
  [Note: Switch to a different task. We will return to this loop when the
  idle task is again selected to run.]
*/
schedule_preempt_disabled();

}
如果没有其他任务，就执行 idle。从累积时间来说，idle 函数可能是人类历史上执行时间最长的函数。 [2]