Linux Thermal 学习笔记 Hello

一、thermal 模块简介

1. 核心为 thermal_core。可以获取温度的设备抽象为 thermal_zone_device, 如Temp Sensor、NTC(板上的热敏电阻)等。控制温度的设备抽象为 thermal_cooling_device, 如风扇、CPU、DDR、GPU等。温控策略抽象为 thermal_governor，比如 step_wise、bang_bang 等。

thermal_cooling_device 对应系统实施冷却措施的驱动，是温控的执行者。cooling device 维护一个 cooling 等级，即 state，一般 state 越高即系统的冷却需求越高。cooling device 根据不同等级的冷却需求进行冷却行为。cooling device 只根据 state 进行冷却操作，是实施者，而 state 的计算由 thermal governor 完成。结构 struct cpufreq_cooling_device 和 struct devfreq_cooling_device 作为对 thermal_cooling_device 的扩展，分别主要在 cpufreq_cooling.c 和 devfreq_cooling.c 中使用。

thermal_instance 结构体描述 trip point 与 cooling device 的绑定关系，即当 trip point 触发后由哪个 cooling device 去实施冷却措施。每个 trip point 必须与一个 cooling device 绑定，才有实际意义。

一个 Thermal Zone 可以有多个 Cooling 设备；同时还提供一个核心函数 thermal_zone_device_update 作为 Thermal 中断处理函数和轮询函数，轮询时间会根据不同 Trip Delay 调节。模块流程图如下：

 流程：

thermal_zone_device_register --> INIT_DELAYED_WORK(&tz->poll_queue, thermal_zone_device_check) --> thermal_zone_device_check --> thermal_zone_device_update(tz, THERMAL_EVENT_UNSPECIFIED)

读取 thermal 温度，然后根据 trip 类型执行 critical 或者 non critical 响应操作。critical 则直接调用 orderly_poweroff; non critical 则调用 governor 的 throttle 函数。

2. Thermal Governor(温控算法)

Thermal Governor即温控算法，解决温控发生时，如何选择 cooling state 的问题，当前可用的governor包括：bang_bang、step_wise、user_space、low_limit、power_allocator

(1) bang_bang governor

由于 bang_bang governor 是用在使用风扇散热的设备中的算法。首先我们需要确定 throttle 即温控是否触发。这包括了两种情况，第一种为当前温度大于温控阈值，第二种为当前温度小于温控阈值但是大于滞后温度(温控解除温度)，并且是处于降温的过程中。bang_bang governor的降温策略跟它的名字一样简单，可以用一句话来概括: 当throttle发生，打开风扇;当throttle解除，关闭风扇。

(2) step_wise governor

step_wise 算法在计算 target cooling state 的过程中，除了需要知道是否 throttle，还添加了一个 trend 作为参考条。trend 表示温升趋势，Linux Thermal Framework 定义了五种 trend type，见 enum thermal_trend，即稳定(THERMAL_TREND_STABLE), 上升（THERMAL_TREND_RAISING）, 下降（THERMAL_TREND_DROPPING）, 最高温线（THERMAL_TREND_RAISE_FULL）,最低温线（THERMAL_TREND_DROP_FULL）。

 

step_wise governor 对于 cooling_state 选择的策略：

a. 当 throttle 发生且温升趋势为上升，使用更高一级的 cooling state;
b. 当 throttle 发生且温升趋势为下降，不改变 cooling state;
c. 当 throttle 解除且温升趋势为下降，不改变 cooling state;
d. 当 throttle 解除且温升趋势为上升，使用更低一级的 cooling state;

step_wise governor 是每个轮询周期逐级提高冷却状态，是一种相对温和的温控策略。

(3) low_limit governor

移动设备在温度比较低的情况下同样会存在诸如无法充电等问题，所以 low_limit governor 应运而生，这个特殊的温控算法用于低温环境下的设备加热。它的温控策略基本上就是反向的 step_wise，在这里就不进一步展开叙述了，感兴趣的同学可以自行查看kernel源码，内核5.10中已经将其移除。

(4) user_space governor

user_space governor 是通过 uevent 将温区当前温度，温控触发点等信息上报到用户空间，由用户空间软件制定温控的策略。

(5) power_allocator governor

power_allocator governor 即 IPA 算法，是由 ARM 在2015年提交及纳入 Linux kernel mainline。IPA（Intelligent Power Allocator）模型的核心是利用 PID 控制器，ThermalZone 的温度作为输入，可分配功耗值作为输出，调节 Allocator 的频率和电压值。

3. 各个governor是通过 __section() 属性配合链接器脚本链接到一起的

//drivers/thermal/gov_step_wise.c
THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(thermal_gov_step_wise);

//drivers/thermal/thermal_core.h
#define THERMAL_TABLE_ENTRY(table, name)            \
    static typeof(name) *__thermal_table_entry_##name    \
    __used __section("__" #table "_thermal_table") = &name

#define THERMAL_GOVERNOR_DECLARE(name)    THERMAL_TABLE_ENTRY(governor, name)

//展开后为：
static struct thermal_governor *__thermal_table_entry_thermal_gov_step_wise    \
    __used __section("__governor_thermal_table") = &thermal_gov_step_wise //__section()中应该会自动去掉中间的空格


//include/asm-generic/vmlinux.lds.h
#define THERMAL_TABLE(name)                        \
    . = ALIGN(8);                            \
    __##name##_thermal_table = .;                    \
    KEEP(*(__##name##_thermal_table))                \
    __##name##_thermal_table_end = .;

#define INIT_DATA \
    ...
    THERMAL_TABLE(governor)    \
    ...

//展开后为：
#define THERMAL_TABLE(governor)                        \
    . = ALIGN(8);                            \
    __governor_thermal_table = .;                    \
    KEEP(*(__governor_thermal_table))                \
    __governor_thermal_table_end = .;

使用遍历方法：

/* Init section thermal table */
extern struct thermal_governor *__governor_thermal_table[];
extern struct thermal_governor *__governor_thermal_table_end[];

#define for_each_governor_table(__governor)        \
    for (__governor = __governor_thermal_table;    __governor < __governor_thermal_table_end;    __governor++)

二、设备树配置

1. 除了SOC里面的温度传感器分别监控各个子系统的当前温度外。同样在PCB上还包含有多个热敏电阻(NTC), 这些NTC通过算法的计算后可以获得手机主板上各个区域的温度。软件上将这些 tsensor 及 ntc 等可以获取温度的设备描述为 thermal zone, 在代码中以 dts 的形式来描述。

//thermal_zones 下每一个子节点都是一个 thermal, 在 /sys/class/thermal 下对应一个 thermal_zoneX 目录，ntc的也在里面。
thermal_zones: thermal-zones {
    ...
    soc_max {
        polling-delay = <0>; /* /* 温控未发生时(超过阈值时)轮询周期(ms) */ */
        polling-delay-passive = <0>; /* 温控发生时(未超过阈值时)的轮询周期(ms) 配置为0，代表不使用轮询方式，通过tsensor中断触发温控。*/
        thermal-governor = "step_wise"; /* 补充的，该温区发生温控时所使用的算法*/
        thermal-sensors = <&lvts 0>; /* 对应的sensor，表示使用 lvts 这个温度传感器的通道0 */

        trips { /* 温控触发点 */
            soc_max_crit: soc_max_crit@0 {
                /* 触发温度为(116500)/1000 = 116.5 度发生温控，对应 trip_point_0_temp 文件 */
                temperature = <116500>;
                /* 滞后温度，表示当下降到(116.5 – 2000/1000) = 114.5 度时解除温控，对应 trip_point_0_hyst 文件 */
                hysteresis = <2000>;
                /*
                 * "critical"表示触发温控后立刻重启，若配置为”passive”，表示当温控发生后由governor控制，
                 * 轮询周期改为使用 polling-delay-passive，对应 trip_point_0_type 文件 
                 */
                type = "critical"; 
            };
        };
    };
    ...
}

trips 即触发点，每个 thermal zone 可以维护多个 trip point，其 type 为 trip point类型，沿袭PC散热方式，分为四种类型 passive、active、hot、critical，在内核中由 enum thermal_trip_type 描述，若是 critical，温度触发后直接触发重启，非 critical 类型由 governor 的温控策略来降温。

2. 现在我们已经将 tsensor 跟 NTC 以 thermal_zone 的形式注册到系统中，可以实时的监控设备各个子系统的发热状况。当温度超过所设阈值时，将会上报中断，接下来就是冷却设备起作用的时刻了。这些通过控制自己的状态达到降温效果的设备，操作系统将其抽象为 cooling_device（冷却设备）。像 cpufreq, devfreq 等driver在初始化的时候会调用 of_thermal.c 提供的接口在 thermal_core 中注册 cooling device。

gpu2 {
    polling-delay = <100>; /* milliseconds */
    polling-delay-passive = <12>; /* milliseconds */
    thermal-sensors = <&lvts 14>;

    trips {
        gpu_throttle: trip-point@0 {
            temperature = <95000>;
            hysteresis = <2000>;
            type = "passive";
        };
    };
    /* 该温区对应到的冷却设备列表 */
    cooling-maps {
        map0 {
            /* 该冷却设备对应的温区温控触发点 */
            trip = <&gpu_throttle>;
            /* 对应的真正执行冷却操作的设备及最大/最小状态，格式为< phandle of device, min_state,max_state> */
            cooling-device = <&mali THERMAL_NO_LIMIT THERMAL_NO_LIMIT>;
            contribution = <1024>;
        };
    };
};

注：MTK 5.10内核的 cooling device 没有再按这个设备树格式了，检索 #cooling-cells 来查找 cooling device 的设备树节点配置。

三、文件接口

1. /sys/class/thermal/thermal_zoneX

/sys/class/thermal/thermal_zone0 # ls -l
-r--r--r-- available_policies //可选的温控governor，如 power_allocator user_space step_wise
--w------- emul_temp //模拟设置thermal的温度，单位毫摄氏度，设置后 update_temperature()中可获取到这个温度，和实际达到这个温度同效果。只有其为0，读取的才是真正的温度值，否则就是echo的模拟值
-rw-r--r-- integral_cutoff
-rw-r--r-- k_d
-rw-r--r-- k_i
-rw-r--r-- k_po
-rw-r--r-- k_pu
-rw-r--r-- mode //此thermalzone是否使能了，若是为disabled,对其sys文件的操作不生效，可以echo enabled使能
-rw-r--r-- offset
-rw-r--r-- passive
-rw-r--r-- policy //当前使用的governor是哪个
-rw-r--r-- slope
-rw-r--r-- sustainable_power
-r--r--r-- temp //该温区的当前温度，测试时往 emul_temp 中写的值也会体现在这里。
-rw-r--r-- trip_point_0_hyst //滞后温度，来自设备树 hysteresis 字段，此例中为 2000。有 trips 节点才会有此文件。
-rw-r--r-- trip_point_0_temp //触发温度，来自设备树 temperature字段，此例中为 116500，可以通过sysfs更改。
-r--r--r-- trip_point_0_type //触发点0的类型，来自设备树 type 字段，此例中为"critical"
-r--r--r-- type //该温区的名称，对应于设备树 thermal_zones 下子节点的名字，此例中为"soc_max"
-rw-r--r-- uevent

不同 thermal_zoneX 下的文件不完全相同，取决于在设备树中是否指定了trips成员，以及指定了几个。

2. /sys/class/thermal/cooling_deviceX

/sys/class/thermal/cooling_device0 # ls -l
-rw-r--r-- cur_state //该 cooling_device 的当前 cooling state
-r--r--r-- max_state //该 cooling_device 的最大 cooling state
drwxr-xr-x  stats
-r--r--r-- type //该cooling device的名称
-rw-r--r-- uevent

/sys/class/thermal/cooling_device0 # ls -l stats/
--w------- reset //对统计状态进行复位
-r--r--r-- time_in_state_ms //在每个state下停留的时间
-r--r--r-- total_trans //不同state之间转换的次数
-r--r--r-- trans_table //各个state状态转换表，最大只能显示1个页的内容

type 为 thermal-cpufreq-X 的 cool device 控制 CPU ClusterX 的频点，比如向 cur_state 中写入 max_state 的值，对应Cluster的 scaling_max_freq 文件将显示被限制到了最小频点。
type 为 thermal-cpufreq-X 的是通过 cpufreq_cooling.c 注册的 cool device，type 为 thermal-devfreq-X 的是通过 devfreq_cooling.c 注册的 cool device。