LWN：内核如何支持对处理器降压！

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Kernel support for processor undervolting

November 2, 2020
This article was contributed by Marta Rybczyńska
DeepL assisted translation
https://lwn.net/Articles/835594/

对处理器进行超频（将其运行在规定的最高频率之上以提高性能），这是很多读者都熟悉的操作。然而，有时需要反其道而行之，通过降低电压来降低处理器的工作功耗，以避免过热。最近，Jason Donenfeld 提交了一个简单的 patch，删除了内核在用户空间访问相关的特殊处理器寄存器时给出的 warning，允许在 x86 处理器上进行这种 "降压"动作。这个 patch 引起了很长的讨论，可能会引发一个新的内核接口，让用户来安全控制他们的处理器电压。

Voltage, frequency, and undervolting

现代处理器可以采用任意的频率和电压组合来运行，这是通过一个名为 dynamic frequency scaling（动态频率调整）的过程来动态调整的。不同的频率和电压组合自然会改变每秒可执行的指令数，也会有不同的功耗。我们也可以设置让 CPU 运行在它通常的工作频率范围之外，不过这样做时处理器可能会出现各种故障，比如某些指令偶尔出现错误，或者完全崩溃掉。

对于一些用户来说必须要能降低工作电压。因为他们的芯片（特别是最近的英特尔笔记本芯片），在高负荷运行时可能会过热。编译内核时就会出现这种情况。解决方案之一就是降低处理器的电压，使其在较低的电压下运行来降低功耗（从而降低发热）。由于频率没有降低，那么系统的性能仍然可以保持住。幸运的是，对于这些用户来说，有像 intel-undervolt 这样的工具，可以帮助他们实现这个目的。然而仍然有两个困难：该使用什么值，并没有文档记载，而且在不同的处理器上都有区别；并且每次工具改变这个设置时，内核都会打印一个很吓人的 warning。

在英特尔芯片系统中，电压设置是由 Model Specific Registers（MSRs）来控制的，它不仅仅可以用来改变电压，还是处理器特有的许多设置的接口。在 Linux 上，可以使用/dev/cpu/CPUID/msr 这个特殊文件来从用户空间访问 MSRs。然而，系统有可能通过 msr.allow_writes 这个启动选项来禁止 msr 的写操作，或者内核运行在 lockdown 模式下也是一样。在内核中对 MSR 的访问需要特殊的处理器指令，这是由 msr 的平台特有驱动程序来处理。当试图写入一个没有被明确列为安全的 MSR 寄存器时，此驱动会给出一个 warning。不过，如果允许写入操作的话，这个写 MSR 寄存器的动作仍然可以成功完成写入。

Donenfeld 的 patch 是在安全 MSR 寄存器列表中添加一项，从而消除这个 warning。这一项在 patch 中名为 MSR_IA32_OC_MAILBOX，它就可以用来改变处理器电压。这是 intel-undervolt 和其他类似工具在使用的寄存器。有兴趣的读者可以参考这份文档（https://github.com/mihic/linux-intel-undervolt ），了解这些寄存器是如何配置的。显然，这项工作是来自于少部分文档以及大量的反向工程，不断试错得到的。

Undervolting as an essential feature

Donenfeld 的补丁引发了许多讨论，主要是关于为什么需要从用户空间直接访问 MSR。Borislav Petkov 建议，最好通过 sysfs 提供对特定寄存器的访问并且控制好，取消直接写入寄存器的能力。他后来又进一步建议，在默认情况下，应该完全禁止用户空间对 MSRs 的访问。这引起了一些用户的反对，他们认为这种功能是必备功能。Donenfeld 解释说，他的系统需要降低电压才能保持持续工作，还有很多其他用户也有同样的情况。

嗯，这不是很好。这肯定会让许多人感到不安，他们依靠降低电压等相关的功能，才能使他们的笔记本电脑确保可以远程使用，特别是在近期的 14 纳米英特尔 CPU 的疯狂热设计的情况执行【……】，至少我的笔记本电脑会受到影响。

另一个例子来自 Sultan Alsawaf，他描述了他使用一些笔记本处理器的经验。在执行编译内核等任务时，这些处理器都有必要降低降低电压来执行，这样可以减少 22-30%的功耗，提高性能。他说："我想指出，在英特尔最近的 14 纳米部件上，降低电压并不是为了压榨 SoC 的每一滴性能，而是真的必须得要降低"。Petkov 承认这种用法，并表示应该提供更好的支持。"在我看来，这种降压功能应该是内核的一部分，并且应该是自动进行的"。不过 Donenfeld 指出，自动实现可能会很难，因为正确的数值针对每个特定芯片都不一样，就是所谓的“silicon lottery”。

如果这个功能要在内核里支持的话，还需要回答一些其他问题。Donenfeld 问，应该在什么地方做这种操作？是放在内核还是用户空间？随后，Petkov 做出了强烈的回应，支持在内核中建立 "一个合适的接口"。他还提到了 tree 内的 x86_energy_perf_policy 工具，它使用的是另一个 MSR。他说一旦有真正的内核接口来实现该功能的话，这个 MSR 也可以从允许列表中删除。Donenfeld 同意这个目标，但他说在实践中可能很难实现，因为 MSRs 并不是都有公开的文档，而且含义也各有不同。

英特尔电源相关驱动的维护者 Srinivas Pandruvada 回应说，超频(可能也包含降压)并不是架构中提供的接口。也没有公开的文档说明要传递给这个特定 MSR 的命令值。他承诺会在公司内部寻找这些文档。他说，一个合适的 sysfs 接口必须要对传递进来的值进行检查，以防止用户的系统被破坏。

Toward a solution

这时，许多 x86 相关子系统的维护者 Andy Lutomirski 评论说，MSR 访问和 undervolting 是两个不同的话题。根据他的说法，只有在去掉访问限制的情况下，才应该允许 MSR 访问（并发出 warning），但是，降压功能应该由内核支持。不过他也指出了跟 lockdown 相关的一个潜在问题，这个功能可能会破坏系统的稳定，也许会让攻击者获得更高特权。他建议为这个功能单独设置一个 lockdown bit。Matthew Garrett 告诉大家有一种 Plundervolt 攻击(https://www.plundervolt.com/doc/plundervolt.pdf)，它会采用降低电压的方式来破坏 Software Guard Extensions(SGX) enclaves（独立模块）。他还指出，如果有需要的话，sysfs 接口可以允许添加一个 SELinux 或 AppArmor 规则用来保护这个接口。

差不多这个时候，Pandruvada 带着 Intel 的答案回来了。原来正确的数值是来自于实验结果，英特尔的指南也警告了可能会有稳定性问题。他说，现在有内核代码使用了相关的 MSR（intel_turbo_max_3 driver），所以这个 MSR 寄存器的操作是公开的，但没有办法验证写入的命令是否安全。

关于将功能放在哪里的讨论持续了一段时间，直到 Dave Hansen 提议英特尔开发人员研究尽可能多型号的 MSR 的文档，并创建一个单独的驱动程序，也许最开始可以只针对一个型号的处理器。Petkov 同意了，讨论就此停止。

内核开发者们因此达成了一致意见，即降压功能对于一些用户来说是必不可少的，他们需要这个功能来使他们的 CPU 处于合理的散热条件下。提供这个功能的路线也已经制定出来了。一个障碍是可能缺乏官方文档，但看起来英特尔有意愿解决这个问题。这些工作还需要继续做，但我们可以期待很快会有新的接口出现。

全文完
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