电源管理入门-13Thermal 热管理

热管理Thermal Management是什么热管理指的是在电子设备或系统中通过各种方式控制其温度来保证其正常工作或延长寿命的过程。其中包括散热设计、温度监测、温度控制等方面。热管理的重要性越来越凸显尤其在高性能计算、人工智能等领域的应用中更为重要。管理****之前要有策略之后要有控制****操作。热设计Thermal Design是指在产品设计阶段为了满足特定工作负载和环境条件等要求采用合适的散热方案和材料等措施以达到良好的热管理效果。其主要目的是确保产品在正常工作条件下温度不超过设计范围避免由于过热导致的性能下降、系统崩溃、寿命缩短等问题。热控Thermal Control是指在实际使用中采用各种措施控制电子设备或系统的温度以确保其工作在安全、稳定的温度范围内。主要包括基于温度感应器的风扇旋转控制、电压和频率的调整、动态散热管理等技术。热管理、热设计、热控三者密不可分热设计是热管理的前置条件而热控则是热管理的具体实现。同时三者也相互影响优良的热设计可以降低需要的热控次数有效延长产品寿命。热控根据具体实际情况需要根据实际情况进行决策和优化以达到最佳热管理效果。1. Linux中Thermal框架在 Linux 内核中Thermal 特指一套关于温控机制的驱动框架其目的是为了防止 SoC 等硬件芯片因过热而造成系统不稳定甚至缩减芯片寿命。Thermal sensordriverSoC 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 tsadcTemperature Sensor ADC。关于传感器的更多细节我们在 sensor driver 章节再进行深入探讨。获取温度的设备在 Thermal 框架中被抽象为 Thermal Zone Device;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。Thermal governer温控策略Linux 内核中的温控策略要比空调控制精细得多而且也提供了多种策略。Thermalcore组织并管理上面三个组件并通过 sysfs 和用户空间交互。代码举例Thermal sensor driver 代码 drivers/thermal/rockchip_thermal.c /* tsadc驱动 */ Thermal cooling device 相关代码 drivers/thermal/devfreq_cooling.c drivers/thermal/cpu_cooling.c Thermal governor 相关代码 drivers/thermal/power_allocator.c /* power allocator 温控策略 */ drivers/thermal/step_wise.c /* step wise 温控策略 */ drivers/thermal/fair_share.c /* fair share 温控策略 */ drivers/thermal/user_space.c /* userspace 温控策略 */ Thermal core 相关代码 drivers/thermal/thermal_core.c drivers/thermal/of_thermal.c相关的节点/sys/class/thermal例如使用step_wise温控策略2. sensor driver相关这部分一般需要自己开发例如rockchip平台上struct rockchip_thermal_sensor{struct rockchip_thermal_data *thermal;struct thermal_zone_device *tzd;intid;};struct rockchip_thermal_sensorRK 平台上该结构体代表了一个 tsadcstruct rockchip_thermal_data见下面的介绍struct thermal_zone_device一个 tsadc 会和一个 thermal zone 绑定int id该 tsadc 的编号一般来说 RK 的 SoC 内部有两个 tsadcstruct rockchip_thermal_datasensor driver 的私有数据详见注释。RK 的 sensor driver 为了兼容他们家很多 SoC 的 tsadc把差异性的东西抽出来。比如那些函数指针由于寄存器地址的不一样函数体的具体内容也会不一样如 RK3399 和 PX30 之间。再比如由于 SoC 制程不一样默认的关机温度也可能不一样。3. governorstruct thermal_governor用来描述一个 governor即温控策略 信息。内核目前有五种 governor1、power_allocator引⼊ PID⽐例-积分-微分控制根据当前温度动态给各 cooling device 分配 power并将 power 转换为频率从而达到根据温度限制频率的效果。2、step_wise根据当前温度cooling device逐级降频。3、fair share频率档位⽐较多的 cooling device 优先降频。4、bang bang两点温度调节可用于 cooling device 有风扇的场景。5、userspace用户空间控制。4. cooling device嵌入式设备通过改变频率电压来达到改变功耗的目的cooling_device提供了获取当前设备的温控状态以及设置等接口struct thermal_cooling_device{intid;char type[THERMAL_NAME_LENGTH];struct device device;struct device_node *np;void *devdata;const struct thermal_cooling_device_ops *ops;bool updated;/*trueifthe cooling device does not need update */ struct mutex lock;/* protect thermal_instances list */ struct list_head thermal_instances;struct list_headnode;};struct thermal_cooling_device_ops{int(*get_max_state)(struct thermal_cooling_device *, unsigned long *);int(*get_cur_state)(struct thermal_cooling_device *, unsigned long *);int(*set_cur_state)(struct thermal_cooling_device *, unsigned long);int(*get_requested_power)(struct thermal_cooling_device *, struct thermal_zone_device *, u32 *);int(*state2power)(struct thermal_cooling_device *, struct thermal_zone_device *, unsigned long, u32 *);int(*power2state)(struct thermal_cooling_device *, struct thermal_zone_device *, u32, unsigned long *);struct thermal_cooling_device用来描述一个 cooling device即降温设备 信息并将函数操作集抽取出来。DTS中配置bind1{contribution0;tripcpu_trip1;cooling-devicecpu_budget_cooling22;};cpu_budget_cooling:cpu_budget_cool{compatibleallwinner,budget_cooling;device_typecpu_budget_cooling;#cooling-cells 2;statusokay;state_cnt7;cluster_num1;state018000004;state115120004;5. thermal zone获取温度的设备在 Thermal 框架中被抽象为 Thermal Zone Device;struct thermal_zone_device{intid;char type[THERMAL_NAME_LENGTH];struct device device;struct thermal_attr *trip_temp_attrs;struct thermal_attr *trip_type_attrs;struct thermal_attr *trip_hyst_attrs;void *devdata;int trips;unsigned long trips_disabled;/* bitmapfordisabled trips */ int passive_delay;int polling_delay;int temperature;int last_temperature;int emul_temperature;int passive;unsigned int forced_passive;atomic_t need_update;struct thermal_zone_device_ops *ops;struct thermal_zone_params *tzp;struct thermal_governor *governor;void *governor_data;struct list_head thermal_instances;struct idr idr;struct mutex lock;struct list_headnode;struct delayed_work poll_queue;};struct thermal_zone_device_ops{int(*bind)(struct thermal_zone_device *, struct thermal_cooling_device *);int(*unbind)(struct thermal_zone_device *, struct thermal_cooling_device *);int(*get_temp)(struct thermal_zone_device *, int *);int(*get_mode)(struct thermal_zone_device *, enum thermal_device_mode *);int(*set_mode)(struct thermal_zone_device *, enum thermal_device_mode);int(*get_trip_type)(struct thermal_zone_device *, int, enum thermal_trip_type *);int(*get_trip_temp)(struct thermal_zone_device *, int, int *);int(*set_trip_temp)(struct thermal_zone_device *, int, int);// 设置温度窗口 int(*get_trip_hyst)(struct thermal_zone_device *, int, int *);int(*set_trip_hyst)(struct thermal_zone_device *, int, int);int(*get_crit_temp)(struct thermal_zone_device *, int *);int(*set_emul_temp)(struct thermal_zone_device *, int);int(*get_trend)(struct thermal_zone_device *, int, enum thermal_trend *);int(*notify)(struct thermal_zone_device *, int, enum thermal_trip_type);struct thermal_zone_device一个 thermal zone 是根据 dts 里的配置一步步解析并构建的包含了很多信息比如服务于该 thermal zone 的 tsadc服务于该 thermal zone 的降温设备该 thermal zone 所用的 governor以及 thermal 机制工作时所需的一些参数等等。通常RK 平台上 thermal zone 的 dts 配置格式如下。其它平台应该和这个大同小异因为都要基于 thermal core 来配置。thermal_zones: thermal-zones{/* 一个节点对应一个thermal zone并包含温控策略相关参数 */ soc_thermal: soc-thermal{/* 温度高于trip-point-0指定的值每隔20ms获取一次温度 */ polling-delay-passive20;/* milliseconds */ /* 温度低于trip-point-0指定的值每隔1000ms获取一次温度 */ polling-delay1000;/* milliseconds */ /* 温度等于trip-point-1指定的值时系统分配给cooling device的能量 */ sustainable-power1000;/* milliwatts */ /* 当前thermal zone通过tsadc0获取温度 */ thermal-sensorstsadc0;/* trips包含不同温度阈值不同的温控策略配置不一定相同 */ trips{/* * 温控阈值超过该值温控策略开始工作作但不一定马上限制频率 * power小到一定程度才开始限制频率 */ threshold: trip-point-0{/* 超过70摄氏度温控策略开始工作并且70度也是tsadc触发中断的一个阈值 */ temperature70000;/* millicelsius */ /* 温度低于temperature-hysteresis时触发中断当前未实现但框架要求必须填 */ hysteresis2000;/* millicelsius */typepassive;/* 表示超过该温度值时使用polling-delay-passive */};/* 温控目标温度期望通过降频使得芯片不超过该值 */ target: trip-point-1{/* 期望通过降频使得芯片不超过85摄氏度并且85度也是tsadc触发中断的一个阈值 */ temperature85000;/* millicelsius */ /* 温度低于temperature-hysteresis时触发中断当前未实现但框架要求必须填 */ hysteresis2000;/* millicelsius */typepassive;/* 表示超过该温度值时使用polling-delay-passive */};/* 过温保护阈值如果降频后温度仍然上升那么超过该值后让系统重启 */ soc_crit: soc-crit{/* 超过115摄氏度重启并且115度也是tsadc触发中断的一个阈值 */ temperature115000;/* millicelsius */ /* 温度低于temperature-hysteresis时触发中断当前未实现但框架要求必须填 */ hysteresis2000;/* millicelsius */typecritical;/* 表示超过该温度值时重启 */};};/* cooling device配置节点每个子节点代表一个cooling device */ cooling-maps{map0{/* * 表示在target trip下该cooling device才起作用 * 对于power allocater策略必须填target */ triptarget;/* A53做为cooloing device THERMAL_NO_LIMIT不起作用但必须填 */ cooling-devicecpu_l0 THERMAL_NO_LIMIT THERMAL_NO_LIMIT;/* 计算功耗时乘以4096/1024倍用于调整降频顺序和尺度 */ contribution4096;};map1{/* * 表示在target trip下该cooling device才起作用 * 对于power allocater策略必须填target */ triptarget;/* A72做为cooloing device THERMAL_NO_LIMIT不起作用但必须填 */ cooling-devicecpu_b0 THERMAL_NO_LIMIT THERMAL_NO_LIMIT;/* 计算功耗时乘以1024/1024倍用于调整降频顺序和尺度 */ contribution1024;};map2{/* * 表示在target trip下该cooling device才起作用 * 对于power allocater策略必须填target */ triptarget;/* GPU做为cooloing device THERMAL_NO_LIMIT不起作用但必须填 */ cooling-devicegpu THERMAL_NO_LIMIT THERMAL_NO_LIMIT;/* 计算功耗时乘以4096/1024倍用于调整降频顺序和尺度 */ contribution4096;};};};/* 一个节点对应一个thermal zone并包含温控策略相关参数当前thermal zone只用于获取温度 */ gpu_thermal: gpu-thermal{/* 包含温控策略配置的情况下才起作用框架要求必须填 */ polling-delay-passive100;/* milliseconds */ /* 每隔1000ms获取一次温度 */ polling-delay1000;/* milliseconds */ /* 当前thermal zone通过tsadc1获取温度 */ thermal-sensorstsadc1;};};在probe中完成注册sensor-tzthermal_zone_of_sensor_register(pdev-dev, id, sensor,combine_ops);温度获取流程sunxi_combine_get_temp //sunxi_ths_combine.c --retcontroller-ops-get_temp(controller,sensor_id,temp);sunxi_ths_get_temp // sunxi_ths_core.c --tths_driver_get_temp(ths_data,id);ths_driver_reg_to_temp(reg_data, id, ths_data-ths_driver_version, ths_data-ths_coefficent-calcular_para);//sunxi_ths_driver.c6. thermal core在thermar core作为中枢注册governor,注册Thermal类并且基于Device Tree注册Thermal Zone提供Thermal zone注册函数Cooling Device注册函数提供将Cooling设备绑定到Zone的函数一个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thermal轮询流程在thermal core中通过不断的轮询来检测温度变化如果温度没有达到crital则调用governor的throttle通过governor的throttle决定下一次轮询的时间如果温度为crital则走关机流程7. SoC硬件中设计一般传感器使用PVT模块实现PVTC中会包含多个temperature sensors、Voltage Monitor、Process Detectors PVT包含以下几种传感器Thermal SensingTS热传感精度高集成方便。支持功率优化和可靠性Distributed Thermal SensingDTS分布式热传感。支持thermal mapping高度精细的布放低延时Supply MonitoringVM供电监控测量多个域的电源电压、验证配电网络、实施静态和动态IR压降分析Process MonitoringPD工艺监控在大规模量产或者单个芯片生命周期了解硅片速度变化slowfasttypical。提供功率优化和老化监控另外一种方式是使用单独的thermal sensor通过I2C slave接入MCU核心。CPU核心可以通过I2C读取稳定可以防止内部PVT损坏的影响。参考https://www.reguanli.com/answer/45052.htmlhttps://blog.csdn.net/weixin_43555423/article/details/105899848https://dongka.github.io/2018/06/25/thermal/thermal_framework/后记电源管理相关的知识看似不多但是详细研究起来根本研究不完。有时候要做一个件事情不一定要追求完美要确定好要做到的程度比如公司里面调试某个功能那么就必须研究透彻但是相关的知识点自学不需要实际动手调试那就要了解框架即可我们不可能什么活都干一遍但是很多活不干一遍是不能体会其精髓的。确定好度很重要防止陷入进去同时防止走马观花没有任何效果的形式主义。电源管理系列刚开始都是作者参与调试的代码后来的就是扩展学习了虽然不进行代码调试但是也力求把框架搞明白做个记录。以后或许那天要调试了再拿出来可以看看。“啥都懂一点啥都不精通干啥都能干干啥啥不是专业入门劝退堪称程序员杂家”。欢迎各位自己有博客公众号的留言申请转载多谢后续会继续更新纯干货分析欢迎分享给朋友欢迎点赞、收藏、在看、划线和评论交流公众号“那路谈OS与SoC嵌入式软件”欢迎关注个人文章汇总https://thatway1989.github.io