关于 deepin V23 的发热、续航问题,我们做了电源配置优化

来源: 投稿
作者: nn_30
2023-11-30 10:08:00

之前一些用户反馈,在使用 deepin (深度)操作系统过程中遇到了 CPU 功耗过高导致的设备发热、续航较差情况,而在这些负载场景下,CPU 的占用往往不高。为了解决这个痛点,deepin 团队特别成立专项计划,对于 deepin 的电源进行专项优化。

在对电源进行专项优化之前,首先对 deepin (深度)操作系统进行了深入调查和分析,以了解其在负载场景下的实际运行情况。

经过对 CPU 使用率和功耗的监测,我们发现了一个令人惊讶的事实:尽管在高负载场景下 CPU 的占用率不高,但其功耗却持续升高,最终导致设备发热并影响续航。也就是说,我们前期做的省电优化工作,不仅无效,还起了反作用。那么到底该如何解决这一问题呢?

在刚刚结束的DDUC 2023上,deepin(深度)社区用户 fslong 从社区参与共创的角度,分享了帮助 deepin 团队一起完成优化工作的故事。那么,本文就让我们从 deepin 团队研发工程师的角度来回顾解决这一问题的历程吧!

 找到问题的根源 

1.内核
最开始发现问题的地方在内核。有用户将 deepin 的内核和 Ubuntu 的内核进行对比后发现,虽然二者性能相差无几,但是在发热和续航上,较 Ubuntu 落后较多。有用户在 deepin (深度)操作系统上使用 Ubuntu 和其他开源 Linux 发行版的配置文件分别编译内核,发现 deepin 的主要问题在于发热控制上。deepin 团队的测试伙伴高度重视这一社区反馈,对该问题进行复现,佐证了这一现象。

于是,我们立即联系了内核研发的伙伴,并邀请部分对内核配置有一定研究的社区用户共同参与,合力排查后发现,deepin V23 中提供的 HWE 内核存在部分 debug 和无用的内核选项被开启的情况,并且部分节电功能实际未能获得启用,这些都在一定程度上导致了 deepin V23 的续航表现不佳。

2. 系统
系统层面,重新审视了 dde-daemon 提供的电源调度模块,并且对比内核文档提供的文件接口,分析用户使用的电源模式,发现其中存在可以优化的空间。这是本文着重讲解的内容之一。

一些前置知识 

1.ACPI

ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)是一种计算机硬件和操作系统之间交换能源相关信息的接口规范。它定义了计算机硬件的能源相关信息,如电源供应器状态、设备功耗、设备功率因数等。ACPI 是操作系统控制计算机硬件能源管理的标准,同时也是硬件厂商和操作系统之间通信的标准。
在 deepin (深度)操作系统中,ACPI 负责处理计算机硬件的能源管理,与电源管理模块进行交互,以实现对计算机硬件的能源管理。

在分析系统层面的问题时,需要了解 ACPI 和电源管理模块的作用和功能,以及它们是如何协同工作的。本文将会详细讲解 ACPI 的工作原理以及 deepin (深度)操作系统中的电源调度模块工作模式,并提出可行优化建议。

ACPI 的工作原理是:当计算机硬件发生电源变化时,ACPI 会收集硬件信息,并向操作系统发送电源请求。操作系统收到电源请求后,会根据用户配置自动调整各个硬件的电源策略。

deepin (深度)操作系统的电源模块则是帮助用户生成配置来调整 ACPI 的行为。所以在这一方面,我们能做的就是向 ACPI 提供合理的电源策略,在保证性能的同时,降低设备温度并提升续航表现。

2.平台电源配置

相关内核文档:https://docs.kernel.org/userspace-api/sysfs-platform_profile.html

UEFI ACPI 文档:https://uefi.org/htmlspecs/ACPI_Spec_6_4_html/index.html

平台电源配置是电源管理模块的重要组成部分,用于管理计算机平台硬件(指所有支持 ACPI 的设备)的电源状态。CPU 也属于 ACPI 设备的一部分,不过 CPU 是计算机的核心发热大户,对于其使用平台电源管理可能粒度较粗,所以 APCI 引入了一些 CPU 独有的性能管理方式,在下一小节将详细说明。

平台电源配置提供了三种可选模式:performance(性能模式),balance(平衡模式),low-power(节能模式)。一般情况下,用户使用平衡模式就可以。在台式机和 mini 主机类(对于功耗和发热没有任何要求)设备上默认提供性能模式,在笔记本等移动设备上默认提供平衡模式。默认不提供节能模式,因为某些 ACPI 设备在节能模式工作过程中可能出现“睡死现象”,所以为了避免此问题,默认不提供 low-power 节电模式。

3.CPU 电源配置

传统电源模式(SCalling)内核文档:https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guide/pm/cpufreq.html

Intel PState 内核文档:https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guide/pm/intel_pstate.html

AMD PState 内核文档:https://docs.kernel.org/admin-guide/pm/amd-pstate.html

如果有时间,可以自行研读上述电源文档,就很容易理解 CPU 电源配置相关内容。作者在这里的讲述将忽略大量技术细节和实现方式,仅表述如何调整 CPU 的电源模式。

在 /sys/devices/system/cpu/cpufreq 目录下有许多文件名为 policy<x>(x 代表核心编号),这些文件对应着电脑上的 CPU 核心,而 CPU 的电源调度细节就在这些文件夹里。在 policy<x> 目录下有一个文件`scaling_driver`,使用 cat 或其他方式访问它,得到的结果就是当前使用的调度器:

  • intel_cpufreq / acpi_cpufreq : 使用 scaling freq 调度;
  • intel_pastate : 使用 Intel PState 调度;
  • amd-pstate : 使用 AMD PState 调度。

 scalling freq 调度

这是最传统的 CPU 调度方式,可以在 policy 文件夹下的 scaling_available_governors 获取可选电源模式:

其实这些平衡模式的作用都是是一样的:平衡性能和续航,不过使用的算法可能不同。

Intel PState

这是 Intel 近几代 CPU 独享的 moment,内核开启 Intel PState 后(deepin V23 内核默认开启),在 policy文件夹下多了几个文件:

我们只需要关注:

  • energy_performance_available_perference : 可用的 PState 电源调度;
  • energy_performance_perference:当前选定的 PState 电源调度,可以更改此文件内容来更改电源调度。

在 Intel PState 中出现了两个新的调度方案:

  • balance_performance : 平衡偏性能,平时工作频率不高,在负载增大时能快速响应;
  • balance_power : 平衡偏节能,电源策略较为保守 在部分电脑上还有 default 方案,此方案就是经过 PState 优化过的 balance 策略。具体 PState 使用的黑魔法以及主动模式和被动模式的调度策略,可以参照内核文档进行分析。

AMD PState

这是 AMD ZEN2 以上用户,以及支持 kernel 6.4.x 用户独享的 moment。其实 AMD 在 6.1 内核已经做了 PState 的支持,不过是被动模式。

  • (Actvie Mode)主动模式

Active Mode 仅在内核版本大于 6.4 以上,且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 内加入启动参数以打开此功能:amd_pstate=active,也可以修改文件实现 Active Mode 的电源策略和 Intel PStatewi 类似。

  • (Passive Mode)被动模式

Passtive Mode 仅在内核大于 6.1 以上,且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 加入启动参数开启此功能:amd_pstate=passive,也可修改文件实现。

Passive Mode 提供两种电源模式,在/sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor文件进行调整:

(1)performance 使用 platform_profile 进行配置,调度积极性较高;
(2)scheutils 在/sys/device/system/cpu/cpufreq/schedutil/rate_limit_us文件中调整调度粒度(两次调度的间隔时间)和 ACPI 的 scheutils 类  /sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor 。

  • (Guided Mode)引导模式

Guided Mode 仅在内核大于 6.1 以上,且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 加入启动参数开启此功能:amd_pstate=guided,也可修改文件实现。这就类似汽车的自动挡,驱动程序请求最低和最大性能级别,平台自动选择此范围内适合当前工作负荷的性能级别。

4.GPU 电源管理部分

 AMD GPU

如果是 AMD GPU 则需要更改两个文件(使用 tee 命令进行写入):

  • /sys/class/drm/card0/device/power_dpm_state(这是一个遗留接口,目的是向后兼容);
  • performance 高性能模式;
  • balance 平衡模式;
  • battery 节能模式;
  • /sys/class/drm/card0/device/power_dpm_force_performance_level 。

以下设置来自 AMD 官方驱动文档:

https://dri.freedesktop.org/docs/drm/gpu/amdgpu.html#power-dpm-force-performance-level

power_dpm_force_performance_level:

AMD GPU 驱动程序提供了一个 sysfs API,用于调整某些与功率相关的参数。文件 power-dpm-force-performance-level 将用于执行此操作。它接受以下参数:

  • auto:当选择 auto 时,设备将尝试针对驱动中的当前条件动态选择最佳功率曲线;
  • low:当选择低时,GPU 被强制到最低功率状态;
  • high:当选择高时,GPU 被强制到最高功率状态;
  • manual:当选择手动时,用户可以通过 sysfs pp_dpm_mclk、pp_dpm_sclk 和 pp_dpm_pcie 文件手动调整每个时钟域启用的电源状态,并通过 pp_power_profile_mode sysfs 文件调整电源状态转换方式;
  • profile_standard 固定时钟级别分析模式。此模式将时钟设置为固定级别,该级别因 ASIC 而异。这对于分析特定工作负载很有用(不常用);
  • profile_min_sclk 最小 SCLK 分析模式。此模式将 SCLK 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用(不常用);
  • profile_min_mclk 最小 MCLK 分析模式。此模式将 MCLK 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用(不常用);
  • profile_peak 峰值分析模式。此模式将所有时钟(MCLK、SCLK、PCIe)设置为最高级别。这对于分析最大性能的场景很有用(不常用)。

测试:

  • Low 模式的跑分

  • Auto 模式的跑分

  • High 模式的跑分

 

Intel GPU

Intel GPU 使用的 i915 驱动,并不希望你对其做出调整,因为其驱动自带的电源策略已经足够聪明。不过你也可以通过 Intel 提供的 intel-gpu-tools 进行调整和获取信息。

sudo apt install intel-gpu-tools   

然后使用

sudo intel_gpu_frequency

来获取当前频率(当前使用的是 Intel A750)。

可以看到 Intel 的显卡驱动是在 600 MHz 到 2400 MHz 之间动态调整(如上图)。

测试笔记本下 Intel 核显跑分如下:

NVIDIA

由于 NVIDIA 驱动不开源,所以在系统层面无法对其做控制。

应用级别的省电 

应用级别的省电,应该就是在保证用户使用流畅度的情前提下节省性能。之前也有用户提出过,是否能参照某手机厂商的不公平调度算法来实现优化,毕竟安卓系统的底层也是 Linux,理论上实现难度不大。

Cgroups,全称 Control Groups,是 Linux 内核提供的一种资源管理机制,用于对进程分组并对其资源进行限制和隔离。Cgroups 可以用于限制进程的 CPU、内存、磁盘、网络等资源,也可以用于限制进程的优先级和 IO 权限。利用其提供的能力,很容易实现类似不公平调度算法(新的 AM 天然支持 Cgroups 的操作),但是还有一些顾虑:

  • 不同于手机操作系统,计算机操作系统是多任务并行的,在多数窗口管理器下,我们并没有一个明显的前台应用,此时使用不公平调度可能存在隐患;
  • 容易引发人机对抗。在我的观念里面,计算机是为人服务的,那么用户的意志必定是第一优先级,所以我们不应改变用户的行为,如果使用不平衡调度和用户预期不一致,会极大降低用户体验;
  • 使用前后台区分应用,可能导致开销和收益比下降,性价比不高。Linux 桌面不像安卓设备有明显前后台,用户频繁切换应用的操作将导致调度器频繁切换调度,使得开销过大。最佳的解决方案是:提供能力,但不提供方案。可以提供基于 Cgroups 方式修改应用组的优先级,然后让用户自己选择什么应用优先级更高,什么应用优先级低,以实现调度(比如在 dock 上右键选择优先级)或提供一套配置以供用户自由选择。

如果一个电脑需要使用不平衡调度来保证使用流畅性,可能这并不是一个操作系统能解决的问题,而更应该考虑硬件是否需要更换,以保证多任务使用的流畅性。

附录——常用的调试测试工具

1. S-tui

可以看到 CPU 频率变化,配合 stress 可以对 CPU 进行压力测试。

2. intel-gpu-tools

可以使用 intel_gpu_frequency 来获取和调整 i965 的驱动频率。

3. GLMark2

GPU 跑分软件。

4. stress-ng

CPU 压力测试软件。

5. PowerTOP

电源测试软件,可以看到电源的功耗和使用情况。

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本篇精彩评论
不要这么吹毛求疵,deepin已经做的非常好了。你也看到了文中这个玩意排查有多难。。。linux内核配置项已经多到反人类了,有BUG没关系及时相应改正非常优秀了,同时还能分享这么详细的过程。哪怕的AMD/INTEL这种大厂也经常搞出来性能负优化的事情,加油吧。
2023-12-01 15:40
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卓越的工作,实打实的研究.短短一句话能够想像背后的艰苦劳动,"合力排查后发现,deepin V23 中提供的 HWE 内核存在部分 debug 和无用的内核选项被开启的情况".
2023-11-30 15:03
2
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对于笔记本用户还是有意义的。
2023-12-04 15:10
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debug和无用内核选项被开启,不知道deepin的内核开发是怎么进行品控管理的?
2023-12-01 12:31
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