電源管理入門：Thermal熱管理

熱管理（Thermal Management）是什么？

熱管理指的是在電子設(shè)備或系統(tǒng)中通過各種方式控制其溫度來保證其正常工作或延長壽命的過程。其中包括散熱設(shè)計、溫度監(jiān)測、溫度控制等方面。熱管理的重要性越來越凸顯，尤其在高性能計算、人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用中更為重要。

管理之前要有策略，之后要有控制操作。

熱設(shè)計（Thermal Design）是指在產(chǎn)品設(shè)計階段為了滿足特定工作負載和環(huán)境條件等要求，采用合適的散熱方案和材料等措施，以達到良好的熱管理效果。其主要目的是確保產(chǎn)品在正常工作條件下溫度不超過設(shè)計范圍，避免由于過熱導(dǎo)致的性能下降、系統(tǒng)崩潰、壽命縮短等問題。

熱控（Thermal Control）是指在實際使用中采用各種措施控制電子設(shè)備或系統(tǒng)的溫度，以確保其工作在安全、穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。主要包括基于溫度感應(yīng)器的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)控制、電壓和頻率的調(diào)整、動態(tài)散熱管理等技術(shù)。

熱管理、熱設(shè)計、熱控三者密不可分，熱設(shè)計是熱管理的前置條件，而熱控則是熱管理的具體實現(xiàn)。同時，三者也相互影響，優(yōu)良的熱設(shè)計可以降低需要的熱控次數(shù)，有效延長產(chǎn)品壽命。熱控根據(jù)具體實際情況，需要根據(jù)實際情況進行決策和優(yōu)化，以達到最佳熱管理效果。

1. Linux中Thermal框架

在 Linux 內(nèi)核中，Thermal 特指一套關(guān)于溫控機制的驅(qū)動框架，其目的是為了防止 SoC 等硬件芯片因過熱而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至縮減芯片壽命。

Thermal sensor driver，SoC 內(nèi)部 CPU 和 GPU 的旁邊通常會有用于獲取它們溫度的傳感器，比如 tsadc（Temperature Sensor ADC）。關(guān)于傳感器的更多細節(jié)我們在 sensor driver 章節(jié)再進行深入探討。獲取溫度的設(shè)備：在 Thermal 框架中被抽象為 Thermal Zone Device;

Thermal cooling device，降溫設(shè)備，比如風(fēng)扇。這里有點特殊的是，CPU 和 GPU 不僅是發(fā)熱設(shè)備（即需要實施溫控策略的設(shè)備），也可以是降溫設(shè)備，當我們降低 CPU/GPU 的運行頻率的時候，它們就在充當降溫設(shè)備。降低產(chǎn)熱量即是在降溫。

Thermal governer，溫控策略，Linux 內(nèi)核中的溫控策略要比空調(diào)控制精細得多，而且也提供了多種策略。

Thermal core，組織并管理上面三個組件，并通過 sysfs 和用戶空間交互。

代碼舉例：

Thermal sensor driver 代碼：
drivers/thermal/rockchip_thermal.c  /* tsadc驅(qū)動 */

Thermal cooling device 相關(guān)代碼：
drivers/thermal/devfreq_cooling.c
drivers/thermal/cpu_cooling.c

Thermal governor 相關(guān)代碼：
drivers/thermal/power_allocator.c    /* power allocator 溫控策略 */
drivers/thermal/step_wise.c              /* step wise 溫控策略 */
drivers/thermal/fair_share.c              /* fair share 溫控策略 */
drivers/thermal/user_space.c            /* userspace 溫控策略 */

Thermal core 相關(guān)代碼：
drivers/thermal/thermal_core.c
drivers/thermal/of_thermal.c

相關(guān)的節(jié)點：/sys/class/thermal
例如使用step_wise溫控策略：

2. sensor driver相關(guān)

這部分一般需要自己開發(fā)，例如rockchip平臺上

struct rockchip_thermal_sensor {
struct rockchip_thermal_data *thermal;
struct thermal_zone_device *tzd;
int id;
};

struct rockchip_thermal_sensor：RK 平臺上該結(jié)構(gòu)體代表了一個 tsadc；

struct rockchip_thermal_data：見下面的介紹；

struct thermal_zone_device：一個 tsadc 會和一個 thermal zone 綁定；

int id：該 tsadc 的編號，一般來說 RK 的 SoC 內(nèi)部有兩個 tsadc；

struct rockchip_thermal_data：sensor driver 的私有數(shù)據(jù)，詳見注釋。RK 的 sensor driver 為了兼容他們家很多 SoC 的 tsadc，把差異性的東西抽出來。比如那些函數(shù)指針，由于寄存器地址的不一樣函數(shù)體的具體內(nèi)容也會不一樣，如 RK3399 和 PX30 之間。再比如由于 SoC 制程不一樣，默認的關(guān)機溫度也可能不一樣。

3. governor

struct thermal_governor：用來描述一個 governor（即溫控策略） 信息。

內(nèi)核目前有五種 governor：

1、power_allocator：引? PID（?例-積分-微分）控制，根據(jù)當前溫度，動態(tài)給各 cooling device 分配 power，并將 power 轉(zhuǎn)換為頻率，從而達到根據(jù)溫度限制頻率的效果。

2、step_wise：根據(jù)當前溫度，cooling device 逐級降頻。

3、fair share：頻率檔位?較多的 cooling device 優(yōu)先降頻。

4、bang bang：兩點溫度調(diào)節(jié)，可用于 cooling device 有風(fēng)扇的場景。

5、userspace：用戶空間控制。

4. cooling device

嵌入式設(shè)備通過改變頻率電壓，來達到改變功耗的目的，cooling_device提供了獲取當前設(shè)備的溫控狀態(tài)以及設(shè)置等接口；

struct thermal_cooling_device {
int id;
char type[THERMAL_NAME_LENGTH];
struct device device;
struct device_node *np;
void *devdata;
const struct thermal_cooling_device_ops *ops;
bool updated; /* true if the cooling device does not need update */
struct mutex lock; /* protect thermal_instances list */
struct list_head thermal_instances;
struct list_head node;
};
 
 
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：用來描述一個 cooling device（即降溫設(shè)備） 信息，并將函數(shù)操作集抽取出來。DTS中配置：

        bind1{
                contribution = <0>;
                trip = <&cpu_trip1>;
                cooling-device
                = <&cpu_budget_cooling 2 2>;
        };
        
       cpu_budget_cooling:cpu_budget_cool{
            compatible = "allwinner,budget_cooling";
            device_type = "cpu_budget_cooling";
            #cooling-cells = <2>;
            status = "okay";
            state_cnt = <7>;
            cluster_num = <1>;
            state0 = <1800000 4>;
            state1 = <1512000 4>;

5. thermal zone

獲取溫度的設(shè)備：在 Thermal 框架中被抽象為 Thermal Zone Device;

struct thermal_zone_device {
int id;
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;/* bitmap for disabled 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_head node;
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);// 設(shè)置溫度窗口
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：一個 thermal zone 是根據(jù) dts 里的配置一步步解析并構(gòu)建的，包含了很多信息，比如服務(wù)于該 thermal zone 的 tsadc，服務(wù)于該 thermal zone 的降溫設(shè)備，該 thermal zone 所用的 governor，以及 thermal 機制工作時所需的一些參數(shù)，等等。

通常，RK 平臺上 thermal zone 的 dts 配置格式如下。其它平臺應(yīng)該和這個大同小異，因為都要基于 thermal core 來配置。

thermal_zones: thermal-zones {
/* 一個節(jié)點對應(yīng)一個thermal zone，并包含溫控策略相關(guān)參數(shù) */
soc_thermal: soc-thermal {
/* 溫度高于trip-point-0指定的值，每隔20ms獲取一次溫度 */
polling-delay-passive = <20>; /* milliseconds */
/* 溫度低于trip-point-0指定的值，每隔1000ms獲取一次溫度 */
polling-delay = <1000>; /* milliseconds */
/* 溫度等于trip-point-1指定的值時，系統(tǒng)分配給cooling device的能量 */
sustainable-power = <1000>; /* milliwatts */
/* 當前thermal zone通過tsadc0獲取溫度 */
thermal-sensors = <&tsadc 0>;
 
/* trips包含不同溫度閾值，不同的溫控策略，配置不一定相同 */
trips {
/*
 * 溫控閾值，超過該值溫控策略開始工作作，但不一定馬上限制頻率，
 * power小到一定程度才開始限制頻率
 */
threshold: trip-point-0 {
/* 超過70攝氏度，溫控策略開始工作，并且70度也是tsadc觸發(fā)中斷的一個閾值 */
temperature = <70000>; /* millicelsius */
/* 溫度低于temperature-hysteresis時觸發(fā)中斷，當前未實現(xiàn)，但框架要求必須填 */
hysteresis = <2000>; /* millicelsius */
type = "passive"; /* 表示超過該溫度值時，使用polling-delay-passive */
};
 
/* 溫控目標溫度，期望通過降頻使得芯片不超過該值 */
target: trip-point-1 {
/* 期望通過降頻使得芯片不超過85攝氏度，并且85度也是tsadc觸發(fā)中斷的一個閾值 */
temperature = <85000>; /* millicelsius */
/* 溫度低于temperature-hysteresis時觸發(fā)中斷，當前未實現(xiàn)，但框架要求必須填 */
hysteresis = <2000>; /* millicelsius */
type = "passive"; /* 表示超過該溫度值時，使用polling-delay-passive */
};
 
/* 過溫保護閾值，如果降頻后溫度仍然上升，那么超過該值后，讓系統(tǒng)重啟 */
soc_crit: soc-crit {
/* 超過115攝氏度重啟，并且115度也是tsadc觸發(fā)中斷的一個閾值 */
temperature = <115000>; /* millicelsius */
/* 溫度低于temperature-hysteresis時觸發(fā)中斷，當前未實現(xiàn)，但框架要求必須填 */
hysteresis = <2000>; /* millicelsius */
type = "critical"; /* 表示超過該溫度值時，重啟 */
};
};
 
/* cooling device配置節(jié)點，每個子節(jié)點代表一個cooling device */
cooling-maps {
map0 {
/*
 * 表示在target trip下，該cooling device才起作用，
 * 對于power allocater策略必須填target
 */
trip = <&target>;
/* A53做為cooloing device， THERMAL_NO_LIMIT不起作用，但必須填 */
cooling-device = <&cpu_l0 THERMAL_NO_LIMIT THERMAL_NO_LIMIT>;
/* 計算功耗時乘以4096/1024倍，用于調(diào)整降頻順序和尺度 */
contribution = <4096>;
};
 
map1 {
/*
 * 表示在target trip下，該cooling device才起作用，
 * 對于power allocater策略必須填target
 */
trip = <&target>;
/* A72做為cooloing device， THERMAL_NO_LIMIT不起作用，但必須填 */
cooling-device = <&cpu_b0 THERMAL_NO_LIMIT THERMAL_NO_LIMIT>;
/* 計算功耗時乘以1024/1024倍，用于調(diào)整降頻順序和尺度 */
contribution = <1024>;
};
 
map2 {
/*
 * 表示在target trip下，該cooling device才起作用，
 * 對于power allocater策略必須填target
 */
trip = <&target>;
/* GPU做為cooloing device， THERMAL_NO_LIMIT不起作用，但必須填 */
cooling-device = <&gpu THERMAL_NO_LIMIT THERMAL_NO_LIMIT>;
/* 計算功耗時乘以4096/1024倍，用于調(diào)整降頻順序和尺度 */
contribution = <4096>;
};
};
};
 
/* 一個節(jié)點對應(yīng)一個thermal zone，并包含溫控策略相關(guān)參數(shù)，當前thermal zone只用于獲取溫度 */
gpu_thermal: gpu-thermal {
/* 包含溫控策略配置的情況下才起作用，框架要求必須填 */
polling-delay-passive = <100>; /* milliseconds */
/* 每隔1000ms獲取一次溫度 */
polling-delay = <1000>; /* milliseconds */
 
/* 當前thermal zone通過tsadc1獲取溫度 */
thermal-sensors = <&tsadc 1>;
};
};

在probe中完成注冊：

sensor->tz = thermal_zone_of_sensor_register(&pdev->dev,
        id, sensor, &combine_ops);

溫度獲取流程：

sunxi_combine_get_temp //sunxi_ths_combine.c
    -->ret = controller->ops->get_temp(controller,sensor_id, &temp);
sunxi_ths_get_temp  // sunxi_ths_core.c
    -->t = ths_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.c

6. thermal core

在thermar core作為中樞注冊governor,注冊Thermal類，并且基于Device Tree注冊Thermal Zone；提供Thermal zone注冊函數(shù)，Cooling Device注冊函數(shù)，提供將Cooling設(shè)備綁定到Zone的函數(shù)，一個Thermal Zone可以有多個Cooling設(shè)備；同時還提供一個核心函數(shù)Thermal_zone_deviceupdate作為Thermal中斷處理函數(shù)和輪詢函數(shù)，輪詢時間會根據(jù)不同Trip Delay調(diào)節(jié)

thermal輪詢流程：

在thermal core中通過不斷的輪詢來檢測溫度變化，如果溫度沒有達到crital則調(diào)用governor的throttle，通過governor的throttle決定下一次輪詢的時間；如果溫度為crital則走關(guān)機流程；

7. SoC硬件中設(shè)計

一般傳感器使用PVT模塊實現(xiàn)，PVTC中會包含多個temperature sensors、Voltage Monitor、Process Detectors PVT包含以下幾種傳感器：

Thermal Sensing（TS）：熱傳感，精度高，集成方便。支持功率優(yōu)化和可靠性

Distributed Thermal Sensing（DTS）：分布式熱傳感。支持thermal mapping，高度精細的布放，低延時

Supply Monitoring（VM）：供電監(jiān)控，測量多個域的電源電壓、驗證配電網(wǎng)絡(luò)、實施靜態(tài)和動態(tài)IR壓降分析

Process Monitoring（PD）：工藝監(jiān)控，在大規(guī)模量產(chǎn)或者單個芯片生命周期，了解硅片速度變化（slow，fast，typical）。提供功率優(yōu)化和老化監(jiān)控

另外一種方式是使用單獨的thermal sensor，通過I2C slave接入MCU核心。CPU核心可以通過I2C讀取穩(wěn)定，可以防止內(nèi)部PVT損壞的影響。

后記：

電源管理相關(guān)的知識看似不多，但是詳細研究起來，根本研究不完。有時候要做一個件事情，不一定要追求完美，要確定好要做到的程度，比如公司里面調(diào)試某個功能，那么就必須研究透徹，但是相關(guān)的知識點自學(xué)，不需要實際動手調(diào)試，那就要了解框架即可，我們不可能什么活都干一遍，但是很多活不干一遍是不能體會其精髓的。確定好度很重要，防止陷入進去，同時防止走馬觀花沒有任何效果的形式主義。

電源管理系列剛開始都是作者參與調(diào)試的代碼，后來的就是擴展學(xué)習(xí)了，雖然不進行代碼調(diào)試，但是也力求把框架搞明白，做個記錄。以后或許那天要調(diào)試了再拿出來可以看看。