功耗分析¶

本文介绍了有关功耗分析的重要背景信息，重点关注台式机和笔记本电脑中使用的英特尔处理器。它作为任何首次进行功耗分析的人员的起点。

基本物理概念¶

在物理学中，功率是执行功的速率。它等同于单位时间内消耗的能量{.mw-redirect}。在国际单位制中，能量以焦耳为单位测量，功率以瓦特为单位测量，相当于每秒焦耳。

尽管功率是一个瞬时概念，但在实践中，其测量是以非瞬时方式确定的，即通过将能量量除以非无限小的时段。严格来说，这种计算给出了平均功率，但在上下文明确的情况下，通常将其称为功率。

在计算环境中，一个充满电的移动设备电池（如笔记本电脑或智能手机中的电池）存储了一定量的能量，并且该存储能量耗尽的速度取决于移动设备的功耗。这反过来又取决于设备上运行的软件。Web 浏览器是流行的应用程序，并且可能非常耗电，因此会显著影响电池续航时间。因此，值得优化（即减少）Firefox 和 Firefox OS 造成的功耗。

英特尔处理器基础¶

处理器布局¶

以下图表（来自英特尔功耗控制文档）显示了使用最新英特尔处理器的机器是如何构建的。

要点如下。

处理器具有一个或多个封装。这些是您从英特尔购买的实际处理器的组成部分。客户端处理器（例如 Core i3/i5/i7）有一个封装。服务器处理器（例如 Xeon）通常有两个或多个封装。
每个封装包含多个核心。
每个核心通常具有超线程，这意味着它包含两个逻辑CPU。
封装中核心外部的部分称为非核心或系统代理。它包含各种组件，包括 L3 缓存、内存控制器，以及对于具有一个的处理器，集成 GPU。
RAM 与处理器分离。

C 状态¶

英特尔处理器具有积极的节电功能。首先是能够在活动状态和空闲状态之间频繁切换（每秒数千次），并且实际上有几种不同类型的空闲状态。这些不同的状态称为C 状态。 C0 是活动/繁忙状态，其中正在执行指令。其他状态具有较高的数字，反映出越来越深的空闲状态。空闲状态越深，功耗越低，但从唤醒状态唤醒所需的时间也越长。

注意：ACPI 标准指定了四种状态，C0、C1、C2 和 C3。英特尔将这些状态映射到处理器特定的状态，例如 C0、C1、C2、C6 和 C7，并且许多工具使用后一种名称报告 C 状态。确切的关系很混乱，英特尔优化手册的第 13 章提供了更多详细信息。重要的是，C0 始终是活动状态，对于空闲状态，较高的数字始终意味着功耗更低。

关于 C 状态需要注意的另一点是，它们适用于核心和整个封装——即，如果所有核心都处于空闲状态，则整个封装也可以变为空闲状态，这可以进一步降低功耗。

封装或核心在空闲 C 状态下花费的时间分数称为C 状态驻留时间。这是一个误导性术语——活动状态 C0 也是一个 C 状态——但它仍然很常见。

英特尔处理器具有包含不同 C 状态下花费时间测量的模型特定寄存器 (MSR)，并且诸如powermetrics（Mac）、powertop 和turbostat（Linux）之类的工具可以公开此信息。

唤醒发生在核心或封装从空闲状态转换到活动状态时。当操作系统由于某种事件而安排进程运行时，就会发生这种情况。唤醒的常见原因包括计划的计时器到期和被阻塞的 I/O 系统调用接收数据。保持 C 状态驻留对于保持低功耗至关重要，因此减少唤醒频率是降低功耗的最佳方法之一。

C 状态存在的一个后果是，在功耗分析期间进行的观察——甚至比其他类型的分析更甚——可能会干扰正在观察的内容。例如，Gecko Profiler 使用计时器以 1000Hz 的频率采集样本。这些样本中的每一个都可能触发唤醒，这会消耗能量并掩盖 Firefox 的自然唤醒模式。因此，将功耗测量集成到 Gecko Profiler 中不太可能有用，而其他功耗分析工具通常使用低得多的采样率（例如 1Hz）。

P 状态¶

英特尔处理器还支持多个P 状态。P0 是处理器以最大频率和电压运行的状态，而编号较高的 P 状态以较低的频率和电压运行以降低功耗。处理器可以有几十个 P 状态，但转换由硬件和操作系统控制，因此与 C 状态相比，P 状态对应用程序开发人员的兴趣较小。

功耗和与功耗相关的测量¶

有几种类型的功耗和与功耗相关的测量。有些是全局的（全系统），有些是每个进程的。以下各节按从优到劣的顺序列出它们。

功耗测量¶

最佳测量以焦耳和/或瓦特为单位，并通过以某种方式测量实际硬件来进行。这些是受运行程序影响的全局（全系统）测量，但也受其他因素的影响，例如（对于笔记本电脑）显示器背光亮度。

诸如安培表之类的设备可以提供最佳结果，但这些设备可能价格昂贵且难以设置。
一种适用于移动机器和设备的更粗略的技术是长时间运行程序，并简单地计时电池耗尽需要多长时间。不过，所需的较长测量时间是一个缺点。

功耗估算¶

接下来的最佳测量来自最近的（Sandy Bridge 及更高版本）英特尔处理器，这些处理器实现了RAPL（运行平均功耗限制）接口，该接口提供包含最多四个机器功耗平面或域的能耗估算的 MSR，如上图所示。

PKG：整个封装。
- PP0：核心。
- PP1：非核心设备，通常是 GPU（并非所有处理器型号都可用）。
DRAM：主内存（并非所有处理器型号都可用）。

以下关系成立：PP0 + PP1 <= PKG。DRAM 与其他三个域无关。

这些值是使用将处理器内部计数作为输入的功耗模型计算的，并且已验证其准确性相当高。它们还以大约 1000 Hz 的频率频繁更新，尽管其更新延迟的变化意味着它们可能仅在较低频率下（例如，最多 20 Hz 左右）才准确。有关 RAPL 的更多详细信息，请参阅英特尔软件开发人员手册第 3 卷的第 14.9 节。

可以读取 RAPL 读数的工具包括以下内容。

tools/power/rapl：所有平面；Linux 和 Mac。
英特尔功耗监控工具：PKG 和 PP0 平面；Windows、Mac 和 Linux。
powermetrics：PKG 平面；Mac。
perf：所有平面；Linux。
turbostat：PKG、PP0 和 PP1 平面；Linux。

其中，tools/power/rapl 通常是最简单且最易于使用的，因为它读取所有功耗平面，它是一个命令行实用程序，并且它不测量任何其他内容。

代理测量¶

接下来的最佳测量是代理测量，即对影响功耗的事物（例如 CPU 活动、GPU 活动、唤醒频率、C 状态驻留时间、磁盘活动和网络活动）的测量。其中一些是在全局范围内测量的，而另一些则可以在每个进程的基础上测量。有些也可以通过 Firefox 本身内的检测来测量。

每个代理测量与功耗之间的相关性很难确定，并且差异很大。但是，如果使用得当，它们仍然很有用。这是因为它们通常可以比功耗测量和估计以更细粒度的方式进行测量，这对于深入了解程序如何降低功耗至关重要。

大多数分析工具至少提供一些代理测量。

混合代理测量¶

这些是代理测量的组合。这些组合是半任意的，它们放大了代理测量的不可靠性，并且与非混合代理测量不同，它们没有明确的物理意义。避免使用它们。

混合代理测量的最显著示例是 OS X 的活动监视器使用的[“能量影响” 。

功耗分析方法¶

本节旨在整合以上所有信息，并提供一套查找、诊断和修复高功耗案例的策略。

首先，所有测量最好都在一台安静的机器上进行，除了感兴趣的程序之外，几乎没有其他程序在运行。如果情况并非如此，则全局测量尤其可能完全歪曲和不可靠。
查找或确认 Firefox 功耗较高的测试用例。“高”最容易通过与其他浏览器进行比较来衡量。使用功耗测量或估计（例如，通过 tools/power/rapl，或 Mac 上的 mach power，或 Windows 上的 Intel Power Gadget）进行比较。避免使用质量较低的测量，尤其是活动监视器中的“能源影响”。
尝试使用差分分析来缩小问题范围。
- 尝试启用或禁用硬件加速；启用或禁用 e10s；启用或禁用 Flash。
- 尝试将相关标签置于前台与后台。
- 如果问题出现在特定网站上，请尝试保存该网站的本地副本，然后手动删除 HTML 元素，以查看特定页面功能是否导致了问题。
许多功耗问题是由高 CPU 使用率或高唤醒频率引起的。使用其中一种低上下文工具来确定是否属于这种情况（例如，在 Mac 上使用 powermetrics）。如果是，则随后使用提供高上下文测量的工具，这希望能识别出问题的原因。
- 对于高 CPU 使用率，可以使用许多分析器：Firefox 的开发者工具分析器、Gecko 分析器或通用性能分析器。
- 对于高唤醒计数，请使用 dtrace 或 perf 或 TimerFirings 日志记录。
在 Mac 上使用图形的工作负载中，活动监视器的“能源”选项卡可以告诉您是否正在使用高性能 GPU，它比集成 GPU 消耗更多的电能。
如果 CPU 使用率和唤醒频率均未识别出问题，则可能需要更多的创造力。查看其他测量（C 状态驻留时间、GPU 使用率等）可能会有所帮助。
动画有时会导致高功耗。Firefox Devtools 中的动画检查器可以识别它们。或者，此处解释了一位开发者如何以艰难的方式诊断两个与动画相关的问题（这需要真正的平台专业知识）。
功耗问题的近似原因通常并不难找到。解决它们通常是难点。祝你好运。
如果您通过改进代理测量来解决问题，则应验证它是否也改进了功耗测量或估计。这样您就知道修复产生了真正的效果。

进一步阅读¶

英特尔优化手册的第 13 章详细介绍了如何优化功耗。尤其是第 13.5 节（“为智能功耗调整软件”）值得一读。