对 Android 设备 CPU 进行锁频

本文对Android设备CPU的状态查看方法和锁频(lock frequency)方法进行详细介绍。这有什么用?作为测试工程师,你值得了解。

CPU频率

首先说下CPU的频率。我们都知道,CPU的工作频率越高,运算就越快,但能耗也更高。然而很多时候,设备并不需要那么高的计算性能,这个时候,我们就希望能降低CPU的工作频率,追求较低的能耗,以此实现更长的待机时间。

基于此需求,当前电子设备的CPU都会存在多个工作频率,并能根据实际场景进行CPU频率的自动切换,以此达到平衡计算性能与能耗的目的。

锁频的用途

那么为什么需要锁频呢?

对于普通用户来说,可能对这些场景比较熟悉:

  • 在家用笔记本电脑玩游戏的时候,电脑连着电源,不在乎能耗,只想要尽可能高的性能,这个时候就选择高性能模式,即保持CPU在最高频率工作。
  • 旅行途中使用笔记本电脑,靠电池供电,希望电脑能待机尽可能久,这时就选择省电模式,即CPU保持在最低频率运行。

作为一名测试工程师,我们在进行软件测试的时候,为了让测试结果真实反映软件本身的效率,从控制变量法的角度,我们希望测试结果尽量不受到硬件本身的影响。这个时候,我们就可以尝试对设备的CPU进行锁频,即保证在测试的过程中,硬件设备的CPU运行在一个恒定的频率。

说到这里先埋个伏笔,在chromium官方测试库中,部分测试场景在初始化测试环境时,就会将设备所有CPU的频率调到最高状态,后续我会单独以一篇博客的形式对那部分的源码进行分析。对于等不及的朋友,可以先去看下源码,源码路径为pylib/perf/PerfControl.SetHighPerfMode

查看CPU状态信息

在修改CPU的状态之前,我们需要先查看CPU的属性和状态信息,这样才能有针对性地进行正确的设置。

对于CPU的状态,我们通常会关注两类信息,一是整体层面的,即CPU运行的核数;二是细节层面的,即各个CPU的工作状态,包括所处工作模式、频率大小等。

在Android系统中,CPU相关的信息存储在/sys/devices/system/cpu目录的文件中,我们可以通过读取该目录下的特定文件获得当前设备的CPU状态信息,也可以通过对该目录下的特定文件进行写值,实现对CPU频率等状态信息的更改。

本文以Nexus 5(系统版本5.1.1)为例,后面的例子均以该设备为例。不同的机型和Android系统版本可能会存在一些差异,请知悉。

/sys/devices/system/cpu目录中,文件结构如下所示。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ ll
drwxr-xr-x root root 2016-01-20 01:36 cpu0
drwxr-xr-x root root 2016-01-20 21:06 cpu1
drwxr-xr-x root root 2016-01-20 21:07 cpu2
drwxr-xr-x root root 2016-01-20 21:07 cpu3
-rw------- root root 4096 1970-01-17 10:27 cpuctl
drwxr-xr-x root root 1970-01-17 10:27 cpufreq
drwxr-xr-x root root 1970-01-17 10:27 cpuidle
-r--r--r-- root root 4096 1970-01-17 10:27 kernel_max
-r--r--r-- root root 4096 1970-01-17 10:27 offline
-r--r--r-- root root 4096 1970-01-17 10:27 online
-r--r--r-- root root 4096 1970-01-17 10:27 possible
drwxr-xr-x root root 1970-01-17 10:27 power
-r--r--r-- root root 4096 1970-01-17 10:27 present
-rw-r--r-- root root 4096 1970-01-17 10:27 uevent

1、view overall cpu info

possible文件中,存储的是当前设备可用的CPU,显示形式以数字的形式。例如0-3代表的就是当前设备总共有4个核,编号分别为0,1,2,3。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ cat possible
0-3

online文件中,存储的是当前设备正在运行的CPU。因为有时候设备不需要很高的性能,就可以将部分CPU关闭。不过需要注意的是,不管什么时候,CPU0始终都会处于运行状态。online文件的存储格式与possible类似,如果只有部分CPU运行,且CPU编号不连续的时候,会以逗号进行隔开;例如,0,2表示当前CPU0和CPU2处于运行状态。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ cat online
0,2

对应的,offline文件标示的是当前设备处于关闭状态的CPU,这和online作为互补,并集刚好就是设备的所有CPU,即possible文件中的内容。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ cat offline
1,3

2、view specified cpu info

接下来,我们要获取到特定CPU的信息,就需要进入到对应的文件夹,例如,cpu0/对应的就是CPU0的信息。

/sys/devices/system/cpu/cpu0目录中,文件结构如下所示。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ ll cpu0
drwxr-xr-x root root 2016-01-20 01:37 cpufreq
drwxr-xr-x root root 1970-01-17 10:27 cpuidle
-r-------- root root 4096 1970-01-17 10:27 crash_notes
-rw-r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:36 online
drwxr-xr-x root root 1970-01-17 10:27 power
drwxr-xr-x root root 1970-01-17 10:27 rq-stats
lrwxrwxrwx root root 1970-01-17 10:27 subsystem
drwxr-xr-x root root 1970-01-17 10:27 topology
-rw-r--r-- root root 4096 1970-01-17 10:27 uevent

其中,online文件的内容表示当前CPU是否处于运行状态,若处于运行状态,则内容为1,否则为0;这个和上面讲到的/sys/devices/system/cpu/online能进行对应。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ cat cpu0/online
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cpu0/cpufreq/目录下,存储的就是与CPU0的频率相关的信息,文件结构如下所示。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ ll cpu0/cpufreq/
-rw-r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:57 UV_mV_table
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:57 affected_cpus
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:57 cpu_utilization
-r-------- root root 4096 2016-01-20 01:57 cpuinfo_cur_freq
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 02:00 cpuinfo_max_freq
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:39 cpuinfo_min_freq
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:57 cpuinfo_transition_latency
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:57 related_cpus
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:39 scaling_available_frequencies
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:57 scaling_available_governors
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:50 scaling_cur_freq
-r--r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:57 scaling_driver
-rw-r--r-- root root 4096 2016-01-20 01:50 scaling_governor
-rw-r--r-- root root 4096 2016-01-20 08:29 scaling_max_freq
-rw-r--r-- root root 4096 2016-01-20 08:29 scaling_min_freq
-rw-r--r-- root root 4096 2016-01-20 02:52 scaling_setspeed

在这个目录中,我们需要关注的文件比较多。

首先是scaling_available_governorsscaling_governor。这里的governor大家可以理解为CPU的工作模式,scaling_available_governors中存储了当前CPU支持的所有工作模式,而scaling_governor存储的是CPU当前所处的工作模式。

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shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ cat cpu0/cpufreq/scaling_available_governors
impulse dancedance smartmax interactive conservative ondemand userspace powersave Lionheart bioshock performance

shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu $ cat cpu0/cpufreq/scaling_governor
performance

可以看到,Nexus 5支持非常多的工作模式,这里只对几个常见的模式进行简单说明。

  • performance:最高性能模式,即使系统负载非常低,cpu也在最高频率下运行。
  • powersave:省电模式,与performance模式相反,cpu始终在最低频率下运行。
  • ondemand:CPU频率跟随系统负载进行变化。
  • userspace:可以简单理解为自定义模式,在该模式下可以对频率进行设定。

对于各种模式对应的含义和策略,在此不进行展开,大家有兴趣的可以自行搜索。

然后是CPU的工作频率范围,对应的文件有cpuinfo_max_freqcpuinfo_min_freqscaling_max_freqscaling_min_freq

cpuinfo_为前缀的表示CPU硬件支持的频率范围,反映的是CPU自身的特性,与CPU的工作模式无关。而以scaling_为前缀的表示CPU在当前工作模式下的频率范围。

那么,当前CPU工作的频率是多少,我们要怎么查看呢?

查看cpuinfo_cur_freqscaling_cur_freq即可。cpuinfo_cur_freq代表通过硬件实际上读到的频率值,而scaling_cur_freq则是软件当前的设置值,多数情况下这两个值是一致的,但是也有可能因为硬件的原因,有微小的差异。

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root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq # cat cpuinfo_cur_freq
1574400
root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq # cat scaling_cur_freq
1574400

更改CPU状态信息

最后回到我们本文的主题,如何对CPU的频率进行设定呢?

这也和CPU信息查看对应,分为对CPU整体运行情况的设置,和对特定CPU工作模式的设定。

在此,有两点需要特别进行说明。

首先,对于高通的CPU,存在一个系统服务,叫作mpdecision service。当这个系统服务处于运行状态时,我们无法对CPU的状态信息进行更改。因此,如果我们要更改高通CPU的工作模式,第一步要做的就是终止mpdecision系统服务。

操作起来也很简单,在Android shell里面执行如下命令即可。

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stop mpdecision

第二点需要注意的是,如果我们想要实现对特定CPU的工作状态进行设置,就必须将scaling_governor设置为userspace,只有这样,我们才能对scaling_setspeed进行设置。

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root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq # cat scaling_setspeed
<unsupported>

root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq # echo userspace > scaling_governor
root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq # cat scaling_setspeed
1574400

1、set overall cpu info

从宏观层面,我们可以对CPU运行的核数进行设置,即可实现对特定CPU的开启和关闭。当然,我们在前面已经说过,CPU0始终会处于运行状态,因此我们无法将CPU0进行关闭。

设置的方式很简单,就是往/sys/devices/system/cpu/cpu[i]/online文件中写值即可,写1时开启指定CPU,写0时关闭指定CPU。

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# turn off cpu1
root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu1 # echo 0 > online
root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu1 # cat online
0

2、set specified cpu info

在对特定CPU的频率进行设定前,我们需要知道的是,CPU并不能工作在任意频率下,我们只能将CPU的频率设定为它支持的数值。

通过查看scaling_available_frequencies,我们可以获得当前CPU支持的频率值。

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root@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq # cat scaling_available_frequencies
300000 422400 652800 729600 883200 960000 1036800 1190400 1267200 1497600 1574400 1728000 1958400 2265600

接下来,我们就可以对CPU的工作频率进行设置了。

如何进行设置呢?刚开始的时候,我觉得将特定的频率值写入scaling_setspeedscaling_cur_freq就可以了,通过Google搜索得到的方法中也是这种方式。

但经过尝试,发现并不可行。为什么会这样?我也还没有找到答案,希望知道原因的朋友能告诉我。

最后经过尝试,发现通过同时将scaling_max_freqscaling_min_freq设置为目标频率值,就可以成功地对CPU频率完成设置。

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# before setting
shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq $ cat scaling_cur_freq
1574400

# setting
shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq $ echo 1728000 > scaling_min_freq
shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq $ echo 1728000 > scaling_max_freq

# after setting
shell@hammerhead:/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq $ cat scaling_cur_freq
1728000