深入浅出理解Android Thermal机制

在科技发展日新月异的如今,随着设备性能越来越强劲,设备中各个器件工作时产生的热量也越来越高。而移动设备发热是影响用户体验的重要因素,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,“如何给设备降温“成为了当下一个重要的课题。

移动终端结构紧凑,内部空间可说是寸土寸金,这就使得台式机上风冷、水冷等常规硬件散热手段在手机上没有用武之地,软件温控成了控制设备发热的关键武器。毕竟无法“小扇引微凉,悠悠夏日长”,那就得操作系统发挥主观能动性,“热散由心静,凉生为室空”,减少不必要的活动,控制自身的发热量。接下来我们一起去看一看Linux为了降温都做了哪些事。

Linux温控框架

LinuxThermal Framework架构

LinuxThermal Framework是Linux系统下温度控制相关的一套架构,主要用来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。

从系统不同层级的角度可以划分为以下三个部分:

  • Userspace(用户空间):表现形式为sysfs文件节点。路径为sys/class/thermal/,thermal_zone设备为thermal_zone[n]文件目录, cooling_device设备为cooling_device[n]文件目录。用户空间的软件可以通过访问thermal class的文件来获取到各个温区当前的温度以及温控触发点等信息,如果具有某些权限,甚至可以通过设置冷却设备下的状态值来更改温控的策略。目录下的各个文件的作用与意义下一节再详述。

  • Kernelspace(内核空间):核心为thermal_core。获取温度的设备抽象为thermal_zone_device, 控制温度的设备抽象为thermal_cooling_device,温控策略抽象为thermal_governor。

  • Hardware(硬件层):thermal_zone -> tsens0, tsens1, …,硬件上的温控传感器及热敏电阻等被软件抽象为温区; cooling_device -> cpu, gpu, battery, …,可以通过调整自身状态来达到温度控制的IP被软件抽象为冷却设备。

Thermal Zone(温区)与Cooling Device(冷却设备)

tsensor布局

上图为某款移动终端SOC的温度传感器布局图,片上有28颗传感器,分别监控各个子系统的当前温度。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。

  • 示例代码:

Thermal Zone(温区)与Cooling Device(冷却设备)

  • polling-delay-passive:温控发生时的轮询周期。

    上文配置为0,代表不使用轮询方式,通过tsensor中断触发温控。

  • polling-delay:温控未发生时轮询周期。

  • thermal-governor:该温区发生温控时所使用的算法。

    上文选择为”user_space”算法,下一节将详述该算法。

  • thermal-sensors:对应的tsensor。

    上文配置为”tsens0 1”代表使用tsens0这个温度传感器的通道1。

  • trips:温控触发点。

    其中”active-config0”为该温区的温控触发点。

    temperture为触发温度,上文中的配置为(125000) / 1000 = 125度发生温控;

    hysteresis为滞后温度,上文配置为”1000”, 表示当该温区温度下降到(125 – 1000/1000) = 124度时解除温控。

    type配置为”passive”,即当温控发生后,轮询周期改为使用polling-delay-passive。

上述为thermal_zone在编码阶段的描述形式。当操作系统运行后,thermal_zone在用户空间以sysfs文件形式呈现。

Thermal Zone(温区)与Cooling Device(冷却设备)

  • available_policies:可选择的温控算法。

  • type:该温区的名称。

    如上文中的“aoss-0-usr”,”cpu-0-0-usr”等dts node名称。

  • temp:该温区的当前温度。

  • trip_point_0_type/trip_point_0_temp/trip_point_0_hyst:触发点0的名称/触发温度/滞后温度。

    如上文中的”active-config0”, “temperature”,“hysteresis”。

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的表演时刻了。这些可以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。

  • 实例代码:

Thermal Zone(温区)与Cooling Device(冷却设备)

  • cooling-maps:

    该温区对应到的冷却设备列表。

  • cpu00_cdev:

    冷却设备的名称。

  • trip:该冷却设备对应的温区温控触发点。

    上文中,“cpu00_cdev“对应的触发点为”cpu00_config”,即当”cpu-0-0-step”这个温区达到110度时,触发冷却操作。

  • cooling-device: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>。

    上文中配置为”cpu0_isolate 11“,即达到该触发点时,对CPU0进行isolate。

当操作系统运行后,cooling_device同样以sysfs文件形式在用户空间呈现

Thermal Zone(温区)与Cooling Device(冷却设备)

  • cur_state:该cooling_device的当前cooling state。

  • max_state:该cooling_device的最大cooling state。

  • type:该cooling device的名称。

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

  • low_limits

  • user_space

  • power_allocator

  • 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 降温流程

bang_banggovernor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。

  • 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,还添加了一个参考条: trend。trend顾名思义即温升趋势,Linux Thermal Framework定义了三种trend type,即上升(RAISING),下降(DROPPING)与稳定(STABLE)。

step_wise governor 降温流程

step_wise governor对于cooling_state选择的策略:

  • 当throttle发生且温升趋势为上升,使用更高一级的cooling state;

  • 当throttle发生且温升趋势为下降,不改变cooling state;

  • 当throttle解除且温升趋势为上升,不改变cooling state;

  • 当throttle解除且温升趋势为下降,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。

  • 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_limitgovernor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。

  • user_space governor:

user_spacegovernor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。

  • power_allocator governor:

power_allocatorgovernor即IPA算法,是由ARM 在2015年提交及纳入Linuxkernel mainline。

IPA(Intelligent PowerAllocator)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。由于篇幅所限,具体的温控策略不再详述。

后续Linux thermal发展方向

如何控制移动终端发热,在性能与功耗之间取得绝佳的平衡,一直以来都是各大移动芯片与终端厂商持续努力的方向;而在开源社区,像IPA等温控算法也一直在不断演进;相信未来的移动终端产品在发热方面会有越来越好的表现。

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