之前一些用户反馈，在使用 deepin （深度）操作系统过程中遇到了 CPU 功耗过高导致的设备发热、续航较差情况，而在这些负载场景下，CPU 的占用往往不高。为了解决这个痛点，deepin 团队特别成立专项计划，对于 deepin 的电源进行专项优化。
在对电源进行专项优化之前，首先对 deepin （深度）操作系统进行了深入调查和分析，以了解其在负载场景下的实际运行情况。
经过对 CPU 使用率和功耗的监测，我们发现了一个令人惊讶的事实：尽管在高负载场景下 CPU 的占用率不高，但其功耗却持续升高，最终导致设备发热并影响续航。也就是说，我们前期做的省电优化工作，不仅无效，还起了反作用。那么到底该如何解决这一问题呢？
在刚刚结束的DDUC 2023上，deepin（深度）社区用户 fslong 从社区参与共创的角度，分享了帮助 deepin 团队一起完成优化工作的故事。那么，本文就让我们从 deepin 团队研发工程师的角度来回顾解决这一问题的历程吧！
找到问题的根源
1.内核
最开始发现问题的地方在内核。有用户将 deepin 的内核和 Ubuntu 的内核进行对比后发现，虽然二者性能相差无几，但是在发热和续航上，较 Ubuntu 落后较多。有用户在 deepin （深度）操作系统上使用 Ubuntu 和其他开源 Linux 发行版的配置文件分别编译内核，发现 deepin 的主要问题在于发热控制上。deepin 团队的测试伙伴高度重视这一社区反馈，对该问题进行复现，佐证了这一现象。
于是，我们立即联系了内核研发的伙伴，并邀请部分对内核配置有一定研究的社区用户共同参与，合力排查后发现，deepin V23 中提供的 HWE 内核存在部分 debug 和无用的内核选项被开启的情况，并且部分节电功能实际未能获得启用，这些都在一定程度上导致了 deepin V23 的续航表现不佳。
2. 系统
系统层面，重新审视了 dde-daemon 提供的电源调度模块，并且对比内核文档提供的文件接口，分析用户使用的电源模式，发现其中存在可以优化的空间。这是本文着重讲解的内容之一。
一些前置知识
1.ACPI
ACPI（Advanced Configuration and Power Interface）是一种计算机硬件和操作系统之间交换能源相关信息的接口规范。它定义了计算机硬件的能源相关信息，如电源供应器状态、设备功耗、设备功率因数等。ACPI 是操作系统控制计算机硬件能源管理的标准，同时也是硬件厂商和操作系统之间通信的标准。
在 deepin （深度）操作系统中，ACPI 负责处理计算机硬件的能源管理，与电源管理模块进行交互，以实现对计算机硬件的能源管理。
在分析系统层面的问题时，需要了解 ACPI 和电源管理模块的作用和功能，以及它们是如何协同工作的。本文将会详细讲解 ACPI 的工作原理以及 deepin （深度）操作系统中的电源调度模块工作模式，并提出可行优化建议。
ACPI 的工作原理是：当计算机硬件发生电源变化时，ACPI 会收集硬件信息，并向操作系统发送电源请求。操作系统收到电源请求后，会根据用户配置自动调整各个硬件的电源策略。
deepin （深度）操作系统的电源模块则是帮助用户生成配置来调整 ACPI 的行为。所以在这一方面，我们能做的就是向 ACPI 提供合理的电源策略，在保证性能的同时，降低设备温度并提升续航表现。
2.平台电源配置
相关内核文档：https://docs.kernel.org/userspace-api/sysfs-platform_profile.html
UEFI ACPI 文档：https://uefi.org/htmlspecs/ACPI_Spec_6_4_html/index.html
平台电源配置是电源管理模块的重要组成部分，用于管理计算机平台硬件（指所有支持 ACPI 的设备）的电源状态。CPU 也属于 ACPI 设备的一部分，不过 CPU 是计算机的核心发热大户，对于其使用平台电源管理可能粒度较粗，所以 APCI 引入了一些 CPU 独有的性能管理方式，在下一小节将详细说明。
平台电源配置提供了三种可选模式：performance（性能模式），balance（平衡模式），low-power（节能模式）。一般情况下，用户使用平衡模式就可以。在台式机和 mini 主机类（对于功耗和发热没有任何要求）设备上默认提供性能模式，在笔记本等移动设备上默认提供平衡模式。默认不提供节能模式，因为某些 ACPI 设备在节能模式工作过程中可能出现“睡死现象”，所以为了避免此问题，默认不提供 low-power 节电模式。
3.CPU 电源配置
传统电源模式（SCalling）内核文档：https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guide/pm/cpufreq.html
Intel PState 内核文档：https://www.kernel.org/doc/html/v6.1/admin-guide/pm/intel_pstate.html
AMD PState 内核文档：https://docs.kernel.org/admin-guide/pm/amd-pstate.html
如果有时间，可以自行研读上述电源文档，就很容易理解 CPU 电源配置相关内容。作者在这里的讲述将忽略大量技术细节和实现方式，仅表述如何调整 CPU 的电源模式。
在 /sys/devices/system/cpu/cpufreq 目录下有许多文件名为 policy<x>（x 代表核心编号），这些文件对应着电脑上的 CPU 核心，而 CPU 的电源调度细节就在这些文件夹里。在 policy<x> 目录下有一个文件`scaling_driver`，使用 cat 或其他方式访问它，得到的结果就是当前使用的调度器：
- intel_cpufreq / acpi_cpufreq : 使用 scaling freq 调度；
- intel_pastate : 使用 Intel PState 调度；
- amd-pstate : 使用 AMD PState 调度。
scalling freq 调度
这是最传统的 CPU 调度方式，可以在 policy 文件夹下的 scaling_available_governors 获取可选电源模式：
其实这些平衡模式的作用都是是一样的：平衡性能和续航，不过使用的算法可能不同。
Intel PState
这是 Intel 近几代 CPU 独享的 moment，内核开启 Intel PState 后（deepin V23 内核默认开启），在 policy文件夹下多了几个文件：
我们只需要关注：
- energy_performance_available_perference : 可用的 PState 电源调度；
- energy_performance_perference：当前选定的 PState 电源调度，可以更改此文件内容来更改电源调度。
在 Intel PState 中出现了两个新的调度方案：
- balance_performance : 平衡偏性能，平时工作频率不高，在负载增大时能快速响应；
- balance_power : 平衡偏节能，电源策略较为保守 在部分电脑上还有 default 方案，此方案就是经过 PState 优化过的 balance 策略。具体 PState 使用的黑魔法以及主动模式和被动模式的调度策略，可以参照内核文档进行分析。
AMD PState
这是 AMD ZEN2 以上用户，以及支持 kernel 6.4.x 用户独享的 moment。其实 AMD 在 6.1 内核已经做了 PState 的支持，不过是被动模式。
- （Actvie Mode）主动模式
Active Mode 仅在内核版本大于 6.4 以上，且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 内加入启动参数以打开此功能：amd_pstate=active，也可以修改文件实现 Active Mode 的电源策略和 Intel PStatewi 类似。
- （Passive Mode）被动模式
Passtive Mode 仅在内核大于 6.1 以上，且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 加入启动参数开启此功能：amd_pstate=passive，也可修改文件实现。
Passive Mode 提供两种电源模式，在/sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor文件进行调整：
（1）performance 使用 platform_profile 进行配置，调度积极性较高；
（2）scheutils 在/sys/device/system/cpu/cpufreq/schedutil/rate_limit_us文件中调整调度粒度（两次调度的间隔时间）和 ACPI 的 scheutils 类 /sys/device/system/cpu/cpufreq/scaling_governor 。
- （Guided Mode）引导模式
Guided Mode 仅在内核大于 6.1 以上，且内核选项打开 AMD PState 时可用。可能需要在 grub 加入启动参数开启此功能：amd_pstate=guided，也可修改文件实现。这就类似汽车的自动挡，驱动程序请求最低和最大性能级别，平台自动选择此范围内适合当前工作负荷的性能级别。
4.GPU 电源管理部分
AMD GPU
如果是 AMD GPU 则需要更改两个文件（使用 tee 命令进行写入）：
- /sys/class/drm/card0/device/power_dpm_state（这是一个遗留接口，目的是向后兼容）；
- performance 高性能模式；
- balance 平衡模式；
- battery 节能模式；
- /sys/class/drm/card0/device/power_dpm_force_performance_level 。
以下设置来自 AMD 官方驱动文档：
https://dri.freedesktop.org/docs/drm/gpu/amdgpu.html#power-dpm-force-performance-level
power_dpm_force_performance_level:
AMD GPU 驱动程序提供了一个 sysfs API，用于调整某些与功率相关的参数。文件 power-dpm-force-performance-level 将用于执行此操作。它接受以下参数：
- auto：当选择 auto 时，设备将尝试针对驱动中的当前条件动态选择最佳功率曲线；
- low：当选择低时，GPU 被强制到最低功率状态；
- high：当选择高时，GPU 被强制到最高功率状态；
- manual：当选择手动时，用户可以通过 sysfs pp_dpm_mclk、pp_dpm_sclk 和 pp_dpm_pcie 文件手动调整每个时钟域启用的电源状态，并通过 pp_power_profile_mode sysfs 文件调整电源状态转换方式；
- profile_standard 固定时钟级别分析模式。此模式将时钟设置为固定级别，该级别因 ASIC 而异。这对于分析特定工作负载很有用（不常用）；
- profile_min_sclk 最小 SCLK 分析模式。此模式将 SCLK 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用（不常用）；
- profile_min_mclk 最小 MCLK 分析模式。此模式将 MCLK 强制设置为最低级别。这对于分析最小功耗的场景很有用（不常用）；
- profile_peak 峰值分析模式。此模式将所有时钟（MCLK、SCLK、PCIe）设置为最高级别。这对于分析最大性能的场景很有用（不常用）。
测试：
- Low 模式的跑分
- Auto 模式的跑分
-
High 模式的跑分
Intel GPU
Intel GPU 使用的 i915 驱动，并不希望你对其做出调整，因为其驱动自带的电源策略已经足够聪明。不过你也可以通过 Intel 提供的 intel-gpu-tools 进行调整和获取信息。
sudo apt install intel-gpu-tools
然后使用
sudo intel_gpu_frequency
来获取当前频率（当前使用的是 Intel A750）。
可以看到 Intel 的显卡驱动是在 600 MHz 到 2400 MHz 之间动态调整（如上图）。
测试笔记本下 Intel 核显跑分如下：
NVIDIA
由于 NVIDIA 驱动不开源，所以在系统层面无法对其做控制。
应用级别的省电
应用级别的省电，应该就是在保证用户使用流畅度的情前提下节省性能。之前也有用户提出过，是否能参照某手机厂商的不公平调度算法来实现优化，毕竟安卓系统的底层也是 Linux，理论上实现难度不大。
Cgroups，全称 Control Groups，是 Linux 内核提供的一种资源管理机制，用于对进程分组并对其资源进行限制和隔离。Cgroups 可以用于限制进程的 CPU、内存、磁盘、网络等资源，也可以用于限制进程的优先级和 IO 权限。利用其提供的能力，很容易实现类似不公平调度算法（新的 AM 天然支持 Cgroups 的操作），但是还有一些顾虑：
- 不同于手机操作系统，计算机操作系统是多任务并行的，在多数窗口管理器下，我们并没有一个明显的前台应用，此时使用不公平调度可能存在隐患；
- 容易引发人机对抗。在我的观念里面，计算机是为人服务的，那么用户的意志必定是第一优先级，所以我们不应改变用户的行为，如果使用不平衡调度和用户预期不一致，会极大降低用户体验；
- 使用前后台区分应用，可能导致开销和收益比下降，性价比不高。Linux 桌面不像安卓设备有明显前后台，用户频繁切换应用的操作将导致调度器频繁切换调度，使得开销过大。最佳的解决方案是：提供能力，但不提供方案。可以提供基于 Cgroups 方式修改应用组的优先级，然后让用户自己选择什么应用优先级更高，什么应用优先级低，以实现调度（比如在 dock 上右键选择优先级）或提供一套配置以供用户自由选择。
如果一个电脑需要使用不平衡调度来保证使用流畅性，可能这并不是一个操作系统能解决的问题，而更应该考虑硬件是否需要更换，以保证多任务使用的流畅性。
附录——常用的调试测试工具
1. S-tui
可以看到 CPU 频率变化，配合 stress 可以对 CPU 进行压力测试。
2. intel-gpu-tools
可以使用 intel_gpu_frequency 来获取和调整 i965 的驱动频率。
3. GLMark2
GPU 跑分软件。
4. stress-ng
CPU 压力测试软件。
5. PowerTOP
电源测试软件，可以看到电源的功耗和使用情况。
