Linux 上的電源管理

前言

這篇文章主要是偏向我對於網路上關於 Linux 電源管理的內容的整理，以及我自己在筆電上實作的結果，如果想要更加了解可以查看文章中的參考資料。

我的筆電型號是 Swift SFX14-41G， CPU 為 5800U，因此在底下的實作中有針對只能在 AMD 與 Ryzen 上進行的電源管理設定。

CPU

如果不算 GPU 的話，一個系統中 CPU 大概率是最耗電的部分，因此大部分的電源管理都是針對 CPU 來進行，像是限制運行頻率之類的， CPU 如果可以省電，那麼將可以給電池續航帶來顯著的提升。

CPU 的省電主要是靠調節 CPU 運行的頻率，而 Linux 中調整 CPU 頻率依靠 CPUFreq 子系統， CPUFreq 定義了Scaling governors 和Scaling drivers兩個選項，可以透過改變這兩個選項來改變 CPU 的調度，更詳細的內容，可以查看 Archwiki^[1]裡的介紹。

Scaling governors 和Scaling drivers的功能如下

• Scaling governors： 調度策略，決定 CPU 頻率要跑哪個頻率，並傳遞給 Scaling drivers 執行，大部分的 driver 都定義了四種調度器，每種 driver 提供的調度策略雖然名稱相同，但調度並不完全一樣，大部分情況下 ondemand 或 schedutil 可以滿足多數需求
  • performance： 始終維持 CPU 最大頻率
  • powersave： 始終維持 CPU 最小頻率
  • ondemand： 在負載時使用高頻率，閒置時逐漸降低到最低
  • schedutil： 根據 CPU 使用率調整頻率，且調速快
• Scaling drivers： 調度驅動，直接與 CPU 交互，將 governors 決定的頻率傳到 CPU，調整 CPU 的頻率

Scaling drivers

因為我使用 AMD 的 CPU，這部份就只會提 AMD CPU 可使用的調度器，完整列表可參考 Archwiki^[1]

在 AMD 平台上可以使用的 driver 有3種，acpi_cpufreq、amd_pstate和amd_pstate_epp，其中amd_pstate又有三種模式，分別為passive、guided和active，設定為active模式時使用的 driver 為amd_pstate_epp，可以在 kernel command line parameters 中設定選擇哪一種 driver 的哪種模式^[2]

• amd_pstate=disable使用的 driver 為acpi_cpufreq，此 driver 為核心中 CPUFreq 負責，使用 ACPI 提供的 CPU 能效等級來調度，好處是基本所有的 CPU 都可使用此 driver，但是調度較粗糙，無法達到精細的調度來省電
• amd_pstate=active使用的 driver 為amd_pstate_epp，在此模式下由 CPPC(Collaborative Power and Performance Control) 決定運行頻率，只提供 performance 與 powersave 兩種 governor， driver 將 governor 與 EPP(energy performance preference) 的值提供給 CPPC 來決定頻率，由於需要 CPU 內有 CPPC，因此只有 zen2 後支援此 driver；這個 driver 除了可以調整 governor，還可以額外設定 EPP，可以理解成在 governor 的電源指示上做微調，有4種 EPP，性能和耗電從高到低分別是 performance、balance_performance、balance_power、power，這個部分就按需選擇即可
• amd_pstate=guided使用的 driver 為amd_pstate的guided模式，此模式同樣使用 CPPC，但是可以在 OS 內設定最高及最低性能， CPPC 會在範圍之間自動決定運行頻率，同樣的，因為對 CPPC 有需求，只有 zen2 後可以使用此 driver
• amd_pstate=passive 使用的 driver 為amd_pstate的passive模式，此模式下由 driver 來決定運行頻率，類似acpi_cpufreq，但可能會好一點

目前大部分的核心編譯設定CONFIG_X86_AMD_PSTATE_DEFAULT_MODE=3，即核心在沒有設定時預設使用amd_pstate_epp，可以在/proc/config.gz裡的 Config 中找到目前運行核心的編譯設定。

核心編譯設定的定義可以在 kernel 的源始碼中找到，在 drivers/cpufreq/Kconfig.x86 中config X86_AMD_PSTATE_DEFAULT_MODE底下有定義設定數值對應預設使用的 driver

• 1 -> Disabled
• 2 -> Passive
• 3 -> Active (EPP)
• 4 -> Guided

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至於這幾種 driver 要選擇哪一種的問題，我參考了 phoronix 的測試^[3]，amd-pstate-epp的表現很好，在 CPU 閒置時他可以達到接近acpi_freq在powersave governors 的耗電量，但是在有需求時它可以自動 boost 到較高的頻率，而不是像其他 driver 的powersave governor，只會保持在最低頻率，幾乎不可使用。我個人的體驗覺得amd-pstate-epp的表現不錯，相比於passive或guided在續航上有較好的表現。

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一些其他參考資料

AMD P-State and AMD P-State EPP Scaling Driver Configuration Guide : r/linux

AMD Posts P-State Linux Patches For New “Guided Autonomous Mode” - Phoronix

In case anyone wants to use the AMD pstate frequency scaling driver : r/linux_gaming

Setting

可以透過操作/sys底下的檔案來改變 kernel 設定的 driver 與 governor

driver

# echo <driver> > /sys/devices/system/cpu/amd_pstate/status

<driver>的值可以為 active/guided/passive/disable

governor

# echo <governor> > /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor

<governor>的值可以是/sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_available_governors中提供的選項

EPP

# echo <EPP> > /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/energy_performance_preference

<EPP>的值可以是/sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/energy_performance_preference中提供的選項

frequencies

# # 設定CPU以指定頻率運作
# cpupower frequency-set -f <clock_freq>
# # 設定CPU頻率上限
# cpupower frequency-set -u <clock_freq>
# # 或是使用/sys操作
# echo <clock_freq> > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_max_freq
# #設定CPU頻率下限
# cpupower frequency-set -d <clock_freq>
# # 或是使用/sys操作
# echo <clock_freq> > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_min_freq

boost

設定是否開啟 turbo boost

# # 開啟turbo boost
# echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpufreq/boost # amd/intel
# echo 0 > /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo # intel
# # 關閉turbo boost
# echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpufreq/boost # amd/intel
# echo 1 > /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo # intel

工具

前面章節介紹了調整 CPU 省電的方法，但是如果每次拔下插頭都要做一堆設定總是不方便的，雖然可以自己寫一個腳本被 udev rules 觸發或是寫一個 daemon 監控 acpi 電源事件，不過目前 linux 上已經有很多成熟的電源管理專案了，沒有必要重複造輪子。

目前 Linux 常見的電源管理方案有以下幾種

• tlp： 大部分人的推薦，省電設定包含了 CPU、無線、USB、GPU 等等，幾乎所有設備的省電設定都可設置，而且可以使用 tlpui 來用 GUI 進行設定，可以設定一套接 AC 時的設定和使用電池時的設定，可以在離電後自動切換，也可手動切換模式，堪稱電源管理工具的瑞士刀，只是需要良好的設定。
• power-profiles-daemon： 一個較新的電源管理工具，只針對 CPU 做幾項設定，可使用 tlp 重現相同的功能^[4] (後文會說明)， ppd 會內置3種配置 power、balanced、performance，優點是不需配置，就可以達成不差的效果，雖然只針對 CPU 做省電設定(前文有提到大部分耗電是 CPU 造成的)，而且對桌面環境有很好的支持， KDE Plasma 和 Gnome 都可以直接在 Taskbar 上進行三種配置的切換。
• tuned： 和 tlp 相似，有豐富的省電選項可以設置，這款工具由 RetHat 負責維護，因此 RH 系的 Linux 大部分都是使用這個， Fedora 在41後預設安裝 tuned 而不是 ppd^[5]；使用人數較 tlp 少，但最近 tuned 推出了 tuned-ppd 這個提供 ppd 的兼容層，可以達成和 ppd 一樣對桌面環境很好的支持，同時又有和 tlp 一樣豐富的功能，也許我之後會嘗試這個工具。
• auto-cpufreq： 也是近幾年討論比較多的工具，它一樣只針對 CPU 做設定，調整 CPU 的頻率，根據它的文檔，這個工具可以根據工作負載自動決定 CPU 的頻率來達到省電的功能，我個人是覺得 CPU 內的 CPPC 單元應該可以有更好的效果啦，畢竟判斷工作負載同樣需要算力，有興趣可以自己測試看看。
• thermald： 這個工具和省電其實沒有很大的關係，它主要關注發熱，可以設定達到溫度自動降頻，好處是和前面幾個工具都不衝突，前面幾個工具一般都是建議只裝其中一個，畢竟每個工具都是用同樣的操作方式進行省電設定，如果幾個都在跑大概率會衝突。
• powertop： 這個工具其實也和省電沒有什麼關係，主要是它可以查看目前系統 CPU 的耗電量、idle、C 狀態之類的，不過他也有提供--auto-tune選項，不過這個選項的省電設定會很激進，可能會影響系統的使用，我一般只有在需要極致省電的時候才會在開啟了 tlp 下再執行sudo powertop --auto-tune

在 tlp、ppd、tuned 和 auto-cpufreq 這4個工具中，我曾經使用過 tlp 和 ppd，目前是又從 ppd 換回 tlp 了，大概可以多提升幾十分鐘的續航，畢竟多了一些外圍設備的省電；我個人建議筆電一定要進行省電設定，如果不想查文檔，可以直接裝 ppd 即可，如果不做電源管理，可能 windows 下能用6小時， Linux 下只剩2~3小時，哪怕只有 ppd，也可以把續航拉回正常的水平

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一些關於電源管理工具的討論

Tuned-ppd vs tlp - Fedora Discussion

Confused about power saving: TLP vs tuned vs powertop, etc : r/Fedora

TLP or Power-Profiles for Battery Life - General system / Newbie - EndeavourOS

[TRACKING] PPD v TLP for AMD Ryzen 7040 - Framework Laptop 13 / Linux - Framework Community

tlp vs. power-profiles-daemon : r/Fedora

這些討論都只是參考，如果想要達成最好的省電，還是要在自己的電腦上做測試，我是懶得做精細的測試了，就 tlp 用著就很好

TLP

這段主要會講我對 tlp 在使用電池下的設定，我設定在連接 AC 下是什麼省電都關閉，抱持最大性能的運行

在使用電池時我設定 tlp 的 CPU 設定與 ppd 的 power 模式下相同，並做了一些修改， ppd 的三種模式的設定相當於 tlp 中的PLATFORM_PROFILE_ON_AC/BAT、CPU_ENERGY_PERF_POLICY_ON_AC/BAT和CPU_BOOST_ON_AC/BAT^[4]

ppd 的 performance 設定等於

PLATFORM_PROFILE_ON_AC/BAT=performance
CPU_ENERGY_PERF_POLICY_ON_AC/BAT=performance
CPU_BOOST_ON_AC/BAT=1

balanced

PLATFORM_PROFILE_ON_AC/BAT=balanced
CPU_ENERGY_PERF_POLICY_ON_AC/BAT=balance_performance
CPU_BOOST_ON_AC/BAT=0

power

PLATFORM_PROFILE_ON_AC/BAT=low-power
CPU_ENERGY_PERF_POLICY_ON_AC/BAT=power
CPU_BOOST_ON_AC/BAT=0

我個人在使用電池下，有關處理器的設定為

CPU_DRIVER_OPMODE_ON_BAT=active
CPU_SCALING_GOVERNOR_ON_BAT=powersave
CPU_ENERGY_PERF_POLICY_ON_BAT=power
CPU_BOOST_ON_BAT=0

可以視自己的機器不同來做調整， tlpui 裡都有對每個選項做相關設定

CPU 以外的部分我基本沒有更改什麼設定，如果有發現像是 USB 斷線或是網路/音訊設備閒置後斷線，可以把那部份的省電關掉即可

other Tools

• cpupower： 前面就有用到的工具，可以設定 CPU 使用的 governors、運行的頻率，也可以查看目前 CPU 調度相關的資訊，cpupower frequency-info
• turbostat： 用來查看 CPU 每顆核心 boost 的狀態，也會顯示 C 狀態的比例，一般不太會需要這個工具
• lm_sensors： 統整電腦內各種感測器的狀態，可以獲得各種零部件的溫度或是風扇轉速

Ryzen only Tools

• ryzenadj： 可以理解為等同 Intel XTU 的工具，如果 BIOS 有開放設置，可以在 OS 內設定 CPU 的功耗、溫度牆或是超頻，只是我電腦 BIOS 沒有開放這些選項，所以我無法使用
• zenpower3/zenpower： 提供 zenpower 的 dkms 模組，可以更精確的獲得 CPU 內感測器的數值，如電壓、電流等
• zenmonitor3/zenmonitor： 將 zenpower 的資訊列表呈現在 GUI 上的工具

• amdctl： 纇似 ryzenadj，同樣無法使用
• zenstate： 調電壓曲線的工具，好像也可以超頻，同樣無法使用
• ryzen-ppd： 一個用來幫助 ryzen 省電的工具，但我跑不動，看起來也沒什麼人用
• ryzen_smu： 一個 CPU 內 SMU(System Management Unit)驅動的核心模組

不過 AMD 沒有公布 SMU 可以使用的指令，目前只有 Matisse 和 Vermeer 的指令有被試出來，在 ryzen_smu 的 github^[6]上有給出，其他處理器系列能使用的指令只有 Test 和 GetSMUVersion 這兩個，我個人測試5800U 也只有這兩個指令會有反應

# # test，Arg0輸入數字X，回傳X+1
# # 先隨便寫入一些數值
# printf '%0*x' 48 142000 | fold -w 2 | tac | tr -d '\n' | xxd -r -p | tee /sys/kernel/ryzen_smu_drv/smu_args
# cat /sys/kernel/ryzen_smu_drv/smu_args | xxd
00000000: b02a 0200 0000 0000 0000 0000 0000 0000  .*..............
00000010: 0000 0000 0000 0000                      ........
# # 執行SMU指令
# printf '\x01' | tee /sys/kernel/ryzen_smu_drv/rsmu_cmd
# # 查看回傳，發現第一個參數+1
# cat /sys/kernel/ryzen_smu_drv/smu_args | xxd
00000000: b12a 0200 0000 0000 0000 0000 0000 0000  .*..............
00000010: 0000 0000 0000 0000                      ........


# # GetSMUVersion，無參數，回傳小端排序的版本
# # 執行SMU指令
# printf '\x02' | tee /sys/kernel/ryzen_smu_drv/rsmu_cmd
# # 查看回傳
# cat /sys/kernel/ryzen_smu_drv/smu_args | xxd
00000000: 002c 4000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  .,@.............
00000010: 0000 0000 0000 0000                      ........
# # 回傳002c40，十進位為0 44 64，因為是小端排序，所以SMU正確版本為64.44.0

參考

1. CPU frequency scaling - ArchWiki ↩
2. amd-pstate CPU Performance Scaling Driver — The Linux Kernel documentation ↩
3. Ryzen Mobile Power/Performance With Linux 6.3’s New AMD P-State EPP Driver - Phoronix ↩
4. power-profiles-daemon — TLP 1.7.0 documentation ↩
5. Changes/TunedAsTheDefaultPowerProfileManagementDaemon - Fedora Project Wiki ↩
6. ryzen_smu/docs/rsmu_commands.md at master · leogx9r/ryzen_smu ↩