CPU热管理：thermal_zone与散热策略
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CPU温度过高会导致系统性能下降、稳定性降低甚至硬件损坏。Linux内核通过thermal_zone框架和多种散热策略实现对CPU温度的动态管理，确保系统在安全温度范围内高效运行。本文将介绍Linux内核中CPU热管理的核心机制、关键组件及实际应用。
1. 内核热管理框架概述
Linux内核的CPU热管理基于thermal_zone框架，该框架定义了温度传感器、散热设备和温控策略之间的交互接口。核心模块包括：
- 温度传感器驱动：监控硬件温度并上报给内核
- 散热设备驱动：如风扇、被动散热片等执行散热动作
- 温控策略算法：根据温度数据决策散热措施
相关实现代码主要分布在drivers/thermal/目录下，框架核心定义见include/linux/thermal.h。
2. thermal_zone核心组件
2.1 温度传感器与thermal_zone_device
每个物理温度传感器在Linux内核中抽象为一个thermal_zone_device结构体，通过以下接口注册：
struct thermal_zone_device *thermal_zone_device_register(
const char *type,
int trips,
int mask,
void *devdata,
const struct thermal_zone_ops *ops,
const struct thermal_zone_params *params,
int passive_delay,
int polling_delay
);
内核初始化时会扫描系统中的温度传感器，典型的x86系统可在/sys/class/thermal/目录下看到注册的thermal_zone设备：
$ ls /sys/class/thermal/
thermal_zone0 thermal_zone1 cooling_device0
2.2 温度阈值与触发动作
每个thermal_zone定义多个温度阈值（trip point），当温度达到不同阈值时触发相应动作：
- active：主动散热（如开启风扇）
- passive：被动散热（如降频）
- critical：紧急措施（如系统关机）
阈值配置示例：
// 定义温度阈值
struct thermal_trip trip_points[] = {
{ .temperature = 70000, .type = THERMAL_TRIP_PASSIVE }, // 70°C触发被动散热
{ .temperature = 90000, .type = THERMAL_TRIP_CRITICAL }, // 90°C触发紧急措施
};
3. 散热策略实现
3.1 被动散热：CPU频率调节
当温度接近阈值时，内核会通过cpufreq子系统降低CPU频率。关键函数路径：
thermal_zone_get_temp() → thermal_zone_device_update() →
passive cooling → cpufreq_set_target()
相关实现可参考driver/cpufreq/cpufreq_thermal.c。
3.2 主动散热：风扇控制
主动散热通过cooling_device接口控制风扇转速，典型PWM风扇控制代码：
static int fan_set_speed(struct thermal_cooling_device *cdev, unsigned long speed)
{
struct fan_device *fan = cdev->devdata;
return pwm_set_duty_cycle(fan->pwm, speed);
}
static struct thermal_cooling_device_ops fan_cooling_ops = {
.get_max_state = fan_get_max_state,
.get_cur_state = fan_get_cur_state,
.set_cur_state = fan_set_speed,
};
4. 实际应用与调试
4.1 查看系统温度
通过sysfs接口实时监控CPU温度：
$ cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp
65000 # 温度为65°C（单位：毫摄氏度）
4.2 调整散热策略
可通过内核参数调整散热策略，如设置被动散热延迟：
# 临时设置
echo 1000 > /sys/class/thermal/thermal_zone0/passive_delay
# 永久生效（添加到grub参数）
thermal.passive_delay=1000
4.3 内核配置选项
编译内核时可配置热管理相关功能：
关键配置项：
CONFIG_THERMAL：启用基本热管理CONFIG_CPU_THERMAL：CPU温度控制CONFIG_THERMAL_GOV_STEP_WISE：阶梯式温控策略CONFIG_THERMAL_GOV_FAIR_SHARE：基于任务优先级的温控
5. 高级温控策略
5.1 动态调频热管理（DFTM）
DFTM技术结合负载情况预测温度变化，提前调整CPU频率。核心算法位于kernel/sched/cpufreq_schedutil.c。
5.2 异构系统的温度平衡
在ARM big.LITTLE架构中，内核会根据各核心温度动态分配任务负载，相关实现见drivers/thermal/arm_big_little.c。
6. 总结与参考资料
Linux内核通过thermal_zone框架实现了灵活高效的CPU热管理，主要特点包括：
- 分层设计：传感器、散热设备、策略算法解耦
- 多策略支持：被动/主动散热结合
- 自适应调节：根据硬件特性和负载动态优化
完整实现可参考内核源码：
系统管理员可通过sysfs接口监控和调整温控参数，开发者可基于thermal框架实现定制化的散热策略。合理配置的热管理系统能在保证硬件安全的同时，最大化系统性能。
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