服务之力：FreeBSD 电源管理
2018/11
作者：𝚟𝚎𝚛𝚖𝚊𝚍𝚎𝚗
这是 FreeBSD 操作系统的格言 —— “The Power to Serve（服务之力）” —— 也非常契合本文的主题。十年前（是的，光阴荏苒）我甚至还制作了一张带有这个格言的壁纸 —— 仍可在 DeviatArt 页面上获取。
是时候写一篇关于 FreeBSD 电源管理特性的文章了。它也适用于 FreeBSD 桌面 系列，但不限于此。流行的观点似乎是 FreeBSD 如此偏向服务器，以至于没有任何电源管理机制。事实完全不是这样。虽然在桌面上不那么重要（但仍能减少你的电费）或服务器上不那么关键，但在笔记本电脑上正确配置电源管理是非常必要的，这样它们会拥有更长的电池寿命，并运行得更安静。
我写这篇文章，是因为 FreeBSD 手册 在 11.13. Power and Resource Management 章节中并未涉及全部这些信息。FreeBSD on Laptops 文章的 4. Power Management 部分来自 FreeBSD 10.1-RELEASE 的远古时代。FreeBSD Wiki 页面上也有一些信息，但部分已过时。
FreeBSD 在电源管理领域有许多机制：
关闭没有附加驱动的设备
调整 CPU 频率和功耗
支持 CPU 睡眠状态（C1 / C1E / C2 / C3 / …）
启用/禁用大多数 CPU 可用的睿频
每个 USB 设备的电源管理方案
SATA / AHCI 通道/控制器电源管理
挂起/恢复支持（包括用笔记本盖子执行）
支持厂商专有工具帮助测量电源管理
工具与 ACPI 支持风扇速度控制
工具与 ACPI 支持屏幕亮度设置
电池容量状态与运行时间估计
网络接口的节能方案
支持 AMD PowerNow!
支持 Intel (Enhanced) SpeedStep
支持 Intel Speed Shift
支持 AMD Turbo Core
支持 Intel 睿频
关于 FreeBSD 系统中不同设置文件的一句话说明：
/etc/rc.conf —— 无需重启，只需重新加载守护进程
/etc/sysctl.conf —— 无需重启 —— 可在运行时设置
/boot/loader.conf —— 这些设置 需要重启
信息
让我们先从如何获取所需信息开始，例如当前 CPU 速度、已使用的 C 状态、USB 设备当前的电源管理模式、电池容量和剩余时间等。
电池
要获取电池信息，你可以使用工具 acpiconf(8)。以下是 acpiconf(8) 在我的主电池（ThinkPad T420s 笔记本）接通电源源时的输出。
……在接入电源适配器后：
现在，当从笔记本电脑上拔掉电源时，Remaining time: 字段会显示该单块电池的剩余时间估计，这里显示为 2:31（两小时三十一分钟）。
下面是我的第二块电池的 acpiconf(8) 输出（位于 ThinkPad T420s 的 ultrabay，替代了 DVD 驱动器）。
……在接入电源适配器后：
在拔掉电源的情况下，它会将第二块电池的 Remaining time: 显示为 1:36。
因此，总电池续航时间估计为 4:07。同样的时间，以分钟表示（247），会显示在名为 sysctl(8) 值 hw.acpi.battery.time 中，如下所示。
你还可以通过 sysctl(8) hw.acpi.battery，获取更“完整”的电池信息。
如果连接了电源，hw.acpi.battery.time 将显示为 -1。
电池损耗
随着时间的推移，电池会失去其“设计”容量。经过一到两年，这类电池的实际效率可能只剩下原来的 70% 或更低。
检查这些信息所需的全部数据，都可以通过 acpiconf(8) 命令中的 Design capacity: 和 Last full capacity: 获取。我写了个 battery-capacity.sh 脚本，可以告诉你当前电池的效率。下面是该脚本运行时的效果示例。
下面是 battery-capacity.sh 脚本。
CPU
要获取当前 CPU 的信息，你需要使用 dev.cpu，或者使用 dev.cpu.0 来获取第一个物理 CPU 核心的信息。
如果你使用 kldload(8) 命令加载内核模块 coretemp(4)，就能获得额外的温度信息。
下面是加载内核模块 coretemp(4) 后，相同的 sysctl(8) dev.cpu.0 输出。
让我说下最有用的值。
CPU 核心温度。
dev.cpu.0.temperature: 49.0C
CPU 支持的 C 状态（此 CPU 支持 C1 和 C2）。
dev.cpu.0.cx_supported: C1/1/1 C2/3/104
CPU C -states 使用统计（仅使用了 C1 状态）。
dev.cpu.0.cx_usage_counters: 16549 0 dev.cpu.0.cx_usage: 100.00% 0.00% last 1489us
CPU 启用的最最深的 C 状态。
dev.cpu.0.cx_lowest: C1
CPU 支持的频率级别及其功耗（‘/’后面的数字表示功耗）。例如 2500/35000 可理解为 2.5 GHz 频率，功耗 35 W，而 2501 表示 Turbo 模式。最低频率为 800 MHz，功耗约 9 W。
dev.cpu.0.freq_levels: 2501/35000 2500/35000 2200/29755 2000/26426 1800/23233 1600/20164 1400/17226 1200/14408 1000/11713 800/9140
CPU 当前频率（使用守护进程 powerd(8) 或 powerdxx(8) 时会变化）。
dev.cpu.0.freq: 800
hw.acpi.thermal.tz0.temperature 也会显示当前热区温度。
要检查你有多少颗 CPU 核心，可以使用以下命令。
如果我的说明不够直观，你还能用 sysctl(8) 命令的参数 -d，如下所示。
lscpu(1)
还有个第三方工具 lscpu(8)，可以显示你的 CPU 特性和型号。你需要从软件包中安装它。
要使 lscpu(8) 正常工作，需要加载内核模块 cpuctl(4)。
下面是我的双核 CPU 使用 lscpu(8) 的显示效果。
dmesg(8)
此外，dmesg(8) 命令（或长时间运行后查看 /var/run/dmesg.boot 文件）也可以显示你的 CPU 型号和特性信息。
CPU 调频
对于 CPU 调频功能，你可以使用 FreeBSD 基本系统提供的守护进程 powerd(8) ，或者使用来自 FreeBSD Ports 或软件包的 powerdxx(8)。守护进程 powerdxx(8) 旨在更好地调频多核系统，在系统负载适中时不会将所有核心都调到高状态，但有些人可能更喜欢那种方法，以便在执行所有操作时都拥有全部性能，而在闲置时节省功耗。因此，powerd(8) 并不比 powerdxx(8) 更好，反之亦然。它们只是不同的实现，为你的需求提供了更多选择。
无论选择何者，都必须在文件 /etc/rc.conf 中进行配置。
powerd(8)
以下是守护进程 powerd(8) 的选项。
-n 选项用于未知状态——当 powerd(8) 无法确定当前是使用电源还是电池供电时使用。-a 用于电源，-b 用于电池供电。adaptive 设置较“温和”，更有利于延长电池续航时间。hiadaptive 设置更激进，适合在电源供电时使用。-m 选项设置最低 CPU 频率，-M 设置最大 CPU 频率，单位均为 MHz。更多细节请参见 powerd(8) 手册页。
powerdxx(8)
首先，你需要安装它。
然后，它的选项与守护进程 powerd(8) 的选项完全相同。
请查看上文 powerdxx(8) 部分获取标志/参数说明。
十年前，FreeBSD 上的 CPU 调频不像现在这么“简单”，你可以看看我 2008 年的老文章 HOWTO: FreeBSD CPU Scaling and Power Saving。
C 状态
可以在 /etc/rc.conf 文件中用以下选项配置 C 状态。
performance_cx_lowest
economy_cx_lowest
economy_cx_lowest 参数用于电池供电时，performance_cx_lowest 参数用于电源供电时。两者都通过 rc(8) 子系统使用的 /etc/rc.d/power_profile 脚本进行设置。该脚本会设置 hw.acpi.cpu.cx_lowest 参数，从而控制所有 dev.cpu.*.cx_lowest 的值。当你连接或断开电源时，也可以在 /var/log/messages 文件中跟踪这些变化。
通常我只是使用这些值。
上述设置对于大多数系统来说通常已经足够。要检查你的 CPU 支持哪些 C 状态，请看看 dev.cpu.0.cx_supported 的值。
我的 CPU 仅支持 C1 和 C2，但你的 CPU 可能支持更多。我记得曾经使用一台老旧的 Core 2 Duo 笔记本时，从 C1（运行）状态返回到 C2（休眠）状态会有相当“明显”的延迟，因此需要如下设置。此时不使用参数 performance_cx_lowest 和 economy_cx_lowest。你可以将第一个核心设置为 C1，其他所有核心设置为 C2。这样即使在电池供电时，你的系统也能完全响应，而其他核心则可以休眠以节省能源。
例如，如果你有 4 个核心，并且最深支持的 C 状态为 C3，那么你可以将如下内容添加到 /etc/sysctl.conf 文件中。
CPU 睿频
启用睿频模式有两种方式。一种是通过设置守护进程 powerd(8) 或 powerdxx(8)，将最大频率设置高于 CPU 标称速度。例如，如果你的 CPU 描述为双核 2.3 GHz，则可以使用参数 -M 将最大速度设置为 4000（即 4 GHz）。如果你不使用 CPU 调频守护进程，则可以使用参数 dev.cpu.0.freq，将其设置为 dev.cpu.0.freq_levels 中的最高（第一个）值。
下面是我系统上支持的 CPU 频率级别。
最高值（左侧）为 2501/35000，因此我需要将 dev.cpu.0.freq 参数设置为该值以启用睿频模式。你只需要使用“频率”部分的值，因为如果连同功耗描述一起设置，会导致失败。
如下所示为正确的使用方法。
USB 设备
要列出已连接的 USB 设备，请使用工具 usbconfig(8) 。
你会看到 pwr 参数（即 power，电源的缩写）显示当前电源设置，可以为：
ON
OFF
SAVE
要为 ugen1.1 设备设置新的 USB 电源选项，也可以使用 usbconfig(8) 工具，并使用参数 power_save，方法如下。
FreeBSD 的 USB 电源管理没有专用的配置文件，因此我们将设置放入通用的 /etc/rc.local 文件中，该文件在 rc(8) 子系统管理的启动过程结束时运行。下面是添加的内容，唯一的例外是我的无线鼠标“Lenovo USB Receiver 联想 USB 接收器”。
对于鼠标和触控设备，不保存电源是个好主意，因为每次使用时都需要等待约一秒钟，这会很烦人。我使用一个 for 循环为除无线 USB 鼠标（识别为“Lenovo USB Receiver”设备）之外的所有 USB 设备设置节能模式。
SATA/AHCI 电源管理
FreeBSD 通过 acpich(4) 驱动提供 AHCI 通道电源管理。这些电源管理设置可以在启动时通过 /boot/loader.conf 文件中的 hint.ahcich.*.pm_level 参数进行配置。我为多达 8 个通道进行了配置，尽管我实际上只有三个通道。
这是因为对不存在的设备进行设置是无害的，不会显示任何错误信息，而且你也不必为不同系统使用不同设置，从而节省时间。下面是 ahci(4) 手册页中关于 hint.ahcich.*.pm_level 的说明。
可能的电源管理选项如下：
0 – 禁用接口电源管理（默认）
1 – 允许设备主动发起 PM 状态改变，主机被动
2 – 每次端口空闲时，主机发起 PARTIAL PM 状态转换
3 – 每次端口空闲时，主机发起 SLUMBER PM 状态转换
4 – 端口空闲 1 毫秒后，驱动发起 PARTIAL PM 状态转换
5 – 端口空闲 125 毫秒后，驱动发起 SLUMBER PM 状态转换
下面是我在 /boot/loader.conf 文件中的设置。
无驱动的设备
FreeBSD 提供了对未附加驱动的设备不供电的节能选项。该选项称为 hw.pci.do_power_nodriver，可以在 /boot/loader.conf 文件中设置。下面是 pci(4) 手册页中的说明。
它可以设置为以下值之一：
0 – 所有设备保持完全供电（默认）。
1 – 类似于‘2’，但存储控制器仍保持供电。
2 – 关闭大多数设备电源（显示器/内存/外设不关闭）。
3 – 关闭所有没有驱动程序的 PCI 设备电源。
下面是我在 /boot/loader.conf 文件中的设置。
pciconf(8) 工具可以显示系统中的设备以及附加到它们的驱动程序。如果设备没有附加驱动，你会看到 *none@**，例如下面的 none0@。你还可以查看大多数驱动的手册页，例如 em(4) 查看 em0 设备，或 xhci(4) 查看 xhci0 设备。
你也可以使用参数 -v 获取更详细的信息。
Nvidia Optimus
如果由于某种原因你的 BIOS/UEFI 固件无法禁用 Nvidia 独显，你可以使用此脚本将其禁用，从而避免消耗系统电源。该操作需要内核模块 acpi_call(4)，该模块由软件包 acpi_call 提供。
你可以在 /etc/rc.local 文件中，将其添加到 USB 节能选项之后，使用如下条目。
它会将有效的 ACPI 调用存储在 /root/.gpu_method 文件中，并在每次启动时执行。
挂起与恢复
挂起/恢复机制的最大敌人是硬件 BIOS/UEFI 固件中的错误。例如，有时禁用蓝牙会有所帮助——这是 ThinkPad T420s 中的一个方案。要检查系统支持哪些挂起模式，请查看 sysctl(8) 中的 hw.acpi.supported_sleep_state。
要进入 ACPI S3 睡眠状态（挂起），你可以使用 acpiconf(8) 工具或 zzz(8) 工具。
……或者使用 acpiconf(8) 工具。
这与手册页 zzz(8) 中的说明完全相同。
你还可以设置 sysctl(8) 值，使每次关闭笔记本盖时系统进入睡眠状态。为此，将 hw.acpi.lid_switch_state=S3 添加到 /etc/sysctl.conf 文件中。无论是通过命令还是关闭盖子让硬件进入睡眠状态，打开盖子后笔记本都会恢复。当然，如果在执行 zzz(8) 命令后没有关闭盖子，你需要关闭并重新打开盖子，或按下电源按钮以恢复。当然，你也可以对桌面或甚至备份服务器执行挂起/恢复操作，这并不仅限于笔记本。
此外，不同厂商的 ACPI 子系统还有专用内核模块，如下：
/boot/kernel/acpi_asus_wmi.ko
/boot/kernel/acpi_asus.ko
/boot/kernel/acpi_dock.ko
/boot/kernel/acpi_fujitsu.ko
/boot/kernel/acpi_hp.ko
/boot/kernel/acpi_ibm.ko
/boot/kernel/acpi_panasonic.ko
/boot/kernel/acpi_sony.ko
/boot/kernel/acpi_toshiba.ko
/boot/kernel/acpi_video.ko
/boot/kernel/acpi_wmi.ko
例如，如果你使用的是 IBM/联想 ThinkPad，则需使用内核模块 acpi_ibm.ko。
加载所需模块后，你会得到新的 sysctl(8) 值供使用，例如与风扇速度、键盘背光或屏幕亮度相关的值。下面是在加载 acpi_ibm(4) 内核模块后，sysctl(8) 中新增的 dev.acpi_ibm 部分。
这里是一些更有趣的项的说明。
控制麦克风静音按钮上的 LED 灯。
dev.acpi_ibm.0.mic_led
选择是否管理 CPU 风扇（0）或使用厂商默认设置（1）。
dev.acpi_ibm.0.fan
如果启用 CPU 风扇，设置其转速。
dev.acpi_ibm.0.fan_level
显示 CPU 风扇转速（单位 RPM）。
dev.acpi_ibm.0.fan_speed
启用/禁用 WiFi（前提是在 BIOS 中启用）。
dev.acpi_ibm.0.wlan
启用/禁用蓝牙（前提是在 BIOS 中启用）。
dev.acpi_ibm.0.bluetooth
启用/禁用 ThinkLight。
dev.acpi_ibm.0.thinklight
静音/取消静音扬声器。
dev.acpi_ibm.0.mute
扬声器音量。
dev.acpi_ibm.0.volume
屏幕亮度。
dev.acpi_ibm.0.lcd_brightness
在大多数情况下，你可能无需直接使用这些参数，因为通常会使用厂商定义的键盘快捷键（可能需要 Fn 键）或厂商特定的专用按键。但有时你可能希望创建或使用自己的设置，或者需要自定义快捷键，或者想根据 CPU 温度以不同于厂商预设的方式控制风扇转速。这时，这些专用的 ACPI 内核模块就非常有用。
例如，我最近觉得我的 CPU 风扇声音似乎有些大，所以创建了基于 cron(8) 的自定义 acpi-thinkpad-fan.sh 脚本，在 CPU 温度足够低时使用较低或更安静的风扇转速。简单来说，它的工作逻辑是：CPU 温度低于 50°C 时关闭风扇，温度在 50°C 到 60°C 之间时设置为级别‘1’，温度超过 60°C 时设置为级别‘3’。
……下面是它在 crontab(5) 中的条目：
网卡
如果驱动支持节能功能，ifconfig(8) 也要相应选项，称为 powersave，用法如下：
我在自己的 network.sh 网络管理脚本中使用了它，脚本在文章 FreeBSD Network Management with network.sh 中有详细介绍。
厂商工具
FreeBSD 上也有一些厂商提供的工具，例如 powermon(8)。请注意，它需要内核模块 cpuctl(4) 才能工作。
DTrace
动态追踪框架（像 ZFS 一样由 Solaris/Illumos 引入 FreeBSD）在延长电池使用时间方面也可能是款有用的工具。
首先安装软件包 dtrace-toolkit：
系统停止节能或唤醒 CPU，通常是因为有任务需要执行。你大多数情况下会使用 ps(1) 或 top(1) 来查看运行情况，但这些工具无法显示具体启动了哪些命令或命令的执行频率。这时 DTrace 就派上用场了。
我们将使用软件包 dtrace-toolkit 中的 /usr/share/dtrace/toolkit/execsnoop 脚本。它会打印系统中执行的每一个命令及其所有参数。当没有命令执行时，它将保持静默，请注意。
下面是我在更新 dzen2 工具栏时的示例输出。
屏幕顶部的信息更新会启动许多进程。这就是为什么我只每 5 分钟刷新一次 dzen2 信息，如果我想获得当前时刻的精确信息和系统状态，我只需点击 dzen2 工具栏，它就会执行所有这些命令并刷新自己。
通过这种方式使用 DTrace，你可以知道是否有不必要的进程消耗了宝贵的电池时间。你可以在我的文章 FreeBSD Desktop – Part 13 – Configuration – Dzen2 中找到相关 dzen2 配置。
其他
ZFS
默认情况下，ZFS 每 5 秒提交一次事务组，这对于 vfs.zfs.txg.timeout 参数是一个良好的默认设置。如果需要，你可以稍微增加该值，例如设为 10。我之所以提到这个参数，是因为很多指南出于性能原因建议将其设置为 1，但请记住，将其设置为 1 会阻止你的磁盘（和 CPU）进入休眠，从而消耗更多电池寿命。
如果你想调整 vfs.zfs.txg.timeout 值，可以在 /boot/loader.conf 文件中设置。
应用程序
延长电池使用时间时，所使用的应用程序也至关重要。例如，Thunar 比 Caja 或 Nautilus 占用更少的 CPU 时间。Geany 文本编辑器比 Scite 或 Gedit 占用更少的 CPU 资源和内存，即便是 GVim 也会占用更多资源。更不用说基于自定义 Openbox/Fluxbox/${YOUR_FAVORITE_WM} 的窗口管理器设置，其 CPU 占用远低于整个 Gnome 或 Mate 环境。
硬件
有时可以通过硬件本身获得更多电池时间。例如，当你为笔记本购买新的固态硬盘时，可以选择速度不是最快但最节能的型号。你可能感受不到性能差异，但会明显获得更长的电池使用时间。
大多数内存模块的电压为 1.5V，但你的笔记本可能支持 LPDDR 模块（1.35V），从而延长电池续航。此外，每根内存条大约消耗 0.5–1.0W 功率，因此使用单根 8 GB 内存条比使用两根 4 GB 内存条能拥有更多电池时间。当然这也有性能上的缺点，因为单条内存无法使用双通道技术，会限制内存速度。一些笔记本甚至有四条内存槽（例如 ThinkPad W520），因此为了更长的电池寿命，可以选择使用两根 8 GB 内存条而不是四根 4 GB 内存条，而不会损失性能。
有时你可以将 DVD 光驱替换为内部辅助电池。例如 Dell Latitude D630、ThinkPad T420s 或 ThinkPad T500/W500。有些厂商提供整块贴合笔记本底部的扩展电池，例如 ThinkPad X220、T420/T520/W520 或第一代 ThinkPad X1 笔记本的扩展电池。
希望这些信息能帮助你在 FreeBSD 上延长一些电池使用时间（或至少节省一些电量） :🙂:
更新 1 – 显卡节能
如果你安装了 graphics/drm-kmod 包，你可能使用的是最新的内核模块 i915kms.ko 。
要为 Intel 核显设置最大化电源管理，请将以下内容添加到 /boot/loader.conf 文件中：
过去使用的旧设置如下，但现在已不再使用：
更新 2 – AMD CPU 温度
对于 Intel CPU 使用 coretemp(4) 内核模块，而 amdtemp(4) 内核模块可提供 AMD CPU 的额外温度信息。
更新 3 – Suspend/Resume 提示
Suspend/resume 子系统最大的敌人是 BIOS/UEFI 固件中的 BUG。有时禁用 Bluetooth 有助于解决问题——例如 Lenovo ThinkPad T420s 的做法。在 Lenovo ThinkPad X240 上，需要禁用 TPM（Trusted Platform Module）。
更新 4 – Intel Speed Shift
我在较老的 2011 年 ThinkPad W520 上运行 FreeBSD，因此这个选项对我来说仍然是个谜——但对于运行更新系统的用户可能会有帮助。
随着 Intel Skylake（第六代）CPU 的引入，FreeBSD 能够利用 Intel Speed Shift 技术。你可以在 hwpstate_intel(4) 手册页中了解更多信息。要启用该功能，请在 /boot/loader.conf 文件中添加以下行：
然后在 /etc/sysctl.conf 文件中，你需要为每个 CPU 线程（而非核心）都添加一行，使用你期望的设置：
这里的 N 代表线程编号。对于双核四线程 CPU，你将有 4 行这样的设置；对于八核 CPU，你将有 8 行。
Y 的取值含义如下：
0 – 最大性能
50 – 平衡（默认）
100 – 最大节能
若希望获得最大化节能，可以为所有线程使用 100，如下所示：
当然，你也可以为单个线程使用全性能，将一个线程设置为平衡，其余线程节能，如下所示：
… 当你接入电源而非使用电池时，你可能希望全部线程都使用无限制性能，将所有值设为 0。
以下是具体设置示例。
理想情况下，当使用电源时，你会使用 performance（性能）设置，而在使用电池时则运行 power save（节能）模式。你可以通过下面这个简单脚本实现，并让它在 cron(8) 守护进程中运行。
… 下面是 crontab(5) 的条目。我这里假设你已经具备所需的 doas(1) 权限。如果你使用 sudo(8)，请相应修改脚本。
遗憾的是，我目前没有搭载 Intel Speed Shift CPU 的笔记本，所以不确定为前两个线程分别设置 0 和 50 是否最佳。也许将所有线程都设为 100 以节省更多电力会更好。当我将来拥有这样的笔记本时，会再做更新 🙂
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