Linux内核Thermal框架详解一、总述

本文部分内容参考

万字长文 | Thermal框架源码剖析，

Linux Thermal机制源码分析之框架概述_不捡风筝的玖伍贰柒的博客-优快云博客，

https://www.cnblogs.com/hellokitty2/p/15600099.html

特此致谢！

Thermal，中文意思是热的、保暖的。在Linux内核中，Thermal特指一套关于温控机制的驱动框架。也就是说，Linux Thermal框架是Linux系统下温度控制相关的一套架构，主要用来解决随着设备性能不断增强而引起的日益严重的发热问题，控制系统运行过程中各个器件所产生的热量，使设备温度维持在一个安全、舒适的范围，防止SoC 等硬件芯片也会因过热而造成系统不稳定甚至缩减芯片寿命。

Thermal框架是在软件层面上对自然界散热系统的抽象。以日常生活中的温控设备——空调为例，试想一下空调的工作机制及整个温控过程：

（0）假设场景是夏天，某人刚回到家，当前室内温度是35度，用户赶紧打开空调并设定目标温度为25度；

（1）对房间降温首先要知道房间里当前温度是多少，这个工作需要温度传感器来完成。温度传感器探知室内温度；

（2）温度传感器将当前温度传给空调内部的MCU（姑且认为空调的控制系统是由一颗内嵌的MCU来完成的）；

（3）MCU得知当前温差是10度，比较大，因此加大功率，让房间迅速降温（我们知道空调内部的降温设备是雪种）；

（4）一段时间后，室温降至28度（此时温度传感器重复步骤（1）和（2））。此时MCU开始减小功率，降温速度开始趋缓，直至稳定在 25 度。

当然，空调实际的工作方式不一定和上面描述的一模一样，但是基本原理是这样。我们试图通过空调的例子抽取温控系统的必要组件，然后过渡到Linux内核中的Thermal 框架：

（1）既然要控制房间温度，当然要能知道房间当前的温度，这个必要组件就是温度传感器。

（2）降温或者升温，需要实际的设备来支撑，这个必要组件就是雪种。

（3）温差大，加大功率以便迅速降温；温差小，降低功率省电。这个必要组件就是温控策略，或者叫温控算法。

（4）整个温控系统需要有一个类似大脑的设备来统筹管理，这个必要组件就是MCU。

类比到Thermal框架（主要考虑CPU/GPU的温控），其必要组件和上面空调的例子十分相似：

（1）Thermal sensor driver：SoC内部CPU和GPU的旁边通常会有用于获取它们温度的传感器，比如 tsadc（Temperature Sensor ADC）。

（2）Thermal cooling device：降温设备，比如风扇。这里有点特殊的是，CPU和GPU不仅是发热设备（即需要实施温控策略的设备），也可以是降温设备。当我们降低CPU/GPU的运行频率的时候，它们就在充当降温设备（降低产热量即是在降温）。

（3）Thermal governer：温控策略，Linux内核中的温控策略要比上面的空调控制精细得多，而且也提供了多种策略。

（4）Thermal core：组织并管理上面三个组件，并通过sysfs和用户空间交互。

归纳一下：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，如step_wise、bang_bang等。

铺垫了这么多内容，到了正式引出主角——Thrermal框架的时候了。

一、框架结构

Thermal框架由core、governor、zone、cooling device以及sensor driver组成。 

Thermal整体框架结构如下图所示：

各个模块之间关系如下：

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；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；而state的计算由thermal governor完成；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。

模块之间的代码流程图如下：

 

基于系统层次的框架结构如下图所示：

 

• thermal core

thermal主要的程序，驱动初始化程序，维系thermal zone、governor、cooling device三者的关系，并通过 sysfs 和用户空间交互。

• thermal govnernor

温度控制算法（温控策略）。解决温控发生时（即throttle），cooling device如何选择cooling state的问题。

Linux内核中提供了多种温控策略，如下：

• step_wise
• power_allocator
• user_space
• fair_share
• bang_bang

可见，Linux内核的温控策略是比较精细的。

• thermal cooling device

系统温控的执行者，实施冷却措施的驱动（cpufreq_cooling、cpuidle_cooling、 devfreq_cooling等）。通俗地讲，就是降温设备，如风扇。cooling device根据governor计算出来的state，实施冷却操作，一般情况下，state越高表示系统的冷却需求越高。cooling device需要与trip point进行绑定，当 trip point 触发后，由相应的cooling device 去实施冷却措施。

这里有一点需要特别说明：CPU和GPU（当然，也包括其它类似设备）不仅是发热设备（即需要实施温控策略的设备），也可以是降温设备，当我们降低CPU/GPU的运行频率的时候，它们就在充当降温设备。降低产热量即是在降温。

• thermal zone device

创建thermal zone结点和连接thermal sensor，在/sys/class/thermal/目录下的thermal_zone*，通过dtsi文件进行配置生成。thermal sensor是温度传感器（即热敏电阻NTC），主要是给thermal提供温度感知。

二、代码结构

Thermal框架整体代码结构如下图所示：

可以看到，还是挺复杂的。通过上图中复杂的层次就可以推断，代码量及其中包含的知识点是非常多的。不过没有关系，后续文章会将整体拆分为一个个子部分，分别对每个子部分进行讲解和分析。