Modulare il funzionamento di una CPU

Versioni Compatibili Debian 6 "squeeze" Debian 7 "wheezy" ERRORE: utilizzare "unstable_2024" come parametro al posto di " Sid "! Vedi qui.

Introduzione

Ormai da anni esiste la possibilità di regolare il funzionamento della CPU di una macchina per meglio rispondere alle esigenze dell'utente, ma mentre inizialmente era necessario ricorrere a programmi appositi, con le ultime versione del kernel (>= 2.6.12) di linux questa necessità è venuta meno.
Di più, la modulazione della CPU è divenuta la condizione standard, tanto da essere abilitata automaticamente all'avvio del computer.

Applet GNOME

Nel caso di GNOME il metodo più semplice per variare la modalità di funzionamento della CPU è aggiungere al pannello l'applet Variazione Frequenza CPU. Fatto ciò comparirà un icona raffigurante un chip e una barra colorata indicante l'attuale frequenza di funzionamento della CPU come frazione della frequenza massima ammissibile.
Cliccando col tasto sinistro sulla suddetta icona verrà mostrato sia l'elenco delle frequenze che delle modalità di funzionamento permesse; basta cliccare quindi sul valore desiderato, immettere la password di amministratore quando richiesto, e i suddetti parametri verranno modificati.
Si noti che tali variazioni sono temporanee e pertanto andranno perse al successivo avvio del sistema. Per introdurre modifiche permanenti è necessario ricorrere al terminale ed editare appositi file (si veda più avanti).

Terminale

È possibile determinare l'attuale frequenza della CPU in due modi, in primis digitando

cat /proc/cpuinfo

e leggendo la riga CPU MHz, alternativamente digitando

$ cat /sys/devices/system/cpu/*/cpufreq/scaling_cur_freq

Per conoscere le frequenze di funzionamento ammissibili (espresse in [kHz])

$ cat /sys/devices/system/cpu/*/cpufreq/scaling_available_frequencies 

Conoscendo tali valori è possibile impostare coerentemente i valori massimo e minimo con i seguenti comandi

$ echo valore > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_max_freq<br/>
$ echo valore > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_min_freq

Ad esempio per impostare una frequenza minima di 1,2 GHz:

$ echo 1200000 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_min_freq

visto che come già scritto le frequenze devono essere specificate in [kHz]. Impostare manualmente il massimo e il minimo ha senso solo se:

1. la modalità di funzionamento scelta (si veda più avanti) permette di variare la frequenza di funzionamento;
2. la propria CPU supporta almeno tre distinte frequenze di funzionamento, cosa non sempre vera nel caso di processori desktop. A titolo d'esempio le CPU Intel Core Duo 2 e Celeron D supportano in genere solo due differenti frequenze, le CPU Athlon X2 tre e la CPU sempron 145 quattro.
   

NOTA BENE: la sintassi dei comandi per visualizzare e modificare i valori dei vari parametri elencati nel seguito è sempre la stessa, ovvero:

$ cat percorso_parametro/parametro

per visualizzare l'attuale valore dello stesso, mentre per modificarne il valore:

# echo valore > percorso_parametro/parametro

Si osservi che le modifiche effettuate restano valide solo fino al successivo riavvio del sistema (vedere più avanti per come rendere permanenti le modifiche).
Per visualizzare l'elenco delle modalità disponibili digitare

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_available_governors

che restituirà un output del tipo

conservative userspace powersave ondemand performance

Tralasciando userspace si descrivono qui di seguito le altre modalità:

• Conservative: questa modalità prevede un funzionamento normale con frequenza pari alla frequenza minima ammissibile, mentre quando si verifica un incremento del carico di lavoro richiesto la frequenza viene aumentata gradualmente fino al valore massimo. Per questi motivi la presente modalità risulta idonea per quei computer alimentati da una batteria, come i portatili. Il percorso della modalità è /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/conservative/, mentre i parametri configurabili sono:
  • scaling_max_freq e scaling_min_freq, già descritti.
  • sampling_rate, l'attuale frequenza di campionamento del carico della CPU in microsecondi [10^(-6)*s];
    • sampling_rate_min, minima frequenza di campionamento ammissibile del carico della CPU in microsecondi;
    • sampling_rate_max, minima frequenza di campionamento ammissibile del carico della CPU in microsecondi;
  • up_threshold, il valor medio della percentuale di carico CPU tra due consecutivi istanti di campionamento perché il kernel decida di incrementare la frequenza della CPU. Esempio: se tale valore fosse impostato ad esempio su 80 (che significa 80%) il kernel opterebbe per un incremento di frequenza se all'istante X misurasse un carico del 70% e all'istante X+1 un carico del 90%, oppure 75% all'istante X e 88% in X+1, ecc.
  • down_threshold, come al punto precedente, ma in questo caso si imposta il valor medio per cui la frequenza deve essere ridotta rispetto all'attuale valore;
  • freq_step, l'incremento/decremento percentuale adottato dal kernel nelle condizioni descritte sopra; posto di chiamare tale valore 'K' dovrà essere 0<K<100 con K intero (di fatto imopstare un valore nullo equivale a impedire ogni incremento di frequenza). Esempio: impostando un valore di freq_step pari a 5 la frequenza della CPU sarà aumentata del 5% ogni volta che il valor medio percentuale del carico è superiore a quello definito up_treshold; supponendo quindi di partire da un valore di 72 la frequenza sarà portata (sempre in percentuale) prima a 77, poi a 82, poi a 87, ecc. Risulta quindi molto importante la definizione del valore di sampling_rate, se infatti questo è impostato su un valore dell'ordine dei millisecondi è evidente che la frequenza della CPU incrementerà per ogni minima sciocchezza annullando del tutto o parzialmente i benefici della modalità in oggetto, ovvero una riduzione dei consumi energetici (il valore predefinito in questa modalità è 0,6 s, almeno nel caso di chi scrive);
  • ignore_nice_load, può assumere solo due valori, cioè 0 (disattivato) e 1 (attivato). Qualora attivato questo parametro esclude dal computo dell'attuale carico della CPU tutti quei processi classificati come nice (ignoro tuttavia come ciò possa essere fatto). Questo parametro potrebbe risultare interessante per esempio nel caso di quelle computazioni numerico di cui risulta poco importante il tempo di completamento, dove magari non cambia nulla se invece di 20 minuti l'operazione impiega un'ora a terminare.
• Ondemand: è la modalità di funzionamento predefinita ed è molto simile alla precedente, ma invece di privilegiare il risparmio energetico migliora le prestazioni. La differenza fondamentale è costituita dall'incremento di frequenza, che in questo caso non può essere regolata ed è pari al 100%, ovvero non appena si raggiunge il carico medio definito in up_threshold la frequenza della CPU schizza al valore massimo. Dopo un certo intervallo di tempo in cui la percentuale di carico scende sotto il valore di riferimento la frequenza di funzionamento viene immediatamente riportata al valore minimo. Il percorso della modalità è /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ondemand/, mentre i parametri configurabili sono (si omette ogni spiegazione degli stessi poiché identica a quella fornita al punto precedente):
  • scaling_max_freq e scaling_min_freq;
  • sampling_rate;.
    • sampling_rate_min;
    • sampling_rate_max;.
  • up_threshold;
  • ignore_nice_load.
• Performance: con questa modalità la CPU funziona sempre alla frequenza massima, a prescindere dal carico reale della stessa, quindi oltre a consumi elettrici maggiori si ha anche un maggior riscaldamento della CPU stessa. Prima di selezionare questa modalità si ricordi che con la modalità ondemand la frequenza non decresce dal valore massimo istantanemente, pertanto se il livello di carico rimane costante, o oscilla tra i valori massimo e minimo rapidamente, le prestazioni offerte dalla presente modalità risultano del tutto equivalenti a quelle fornite da ondemand. Probabilmente tale modalità risulta utile in quelle situazioni dove il carico di lavoro oscilla frequentemente, ma non troppo rapidamente, tra valori molto alti e valori molto bassi, con la conseguenza di avere numerose variazioni di frequenza della CPU.
• Powersave: è il caso speculare al precedente dove, cascasse il mondo, la frequenza della CPU viene mantenuta sempre al valore minimo. Trattasi evidentemente della modalità che comporta il minor consumo energetico possibile, ma contestualmente anche le peggiori prestazioni.