drivers/cpuidle/governors/menu.c

   1 /*
   2  * menu.c - the menu idle governor
   3  *
   4  * Copyright (C) 2006-2007 Adam Belay <abelay@novell.com>
   5  * Copyright (C) 2009 Intel Corporation
   6  * Author:
   7  *        Arjan van de Ven <arjan@linux.intel.com>
   8  *
   9  * This code is licenced under the GPL version 2 as described
  10  * in the COPYING file that acompanies the Linux Kernel.
  11  */
  12
  13 #include <linux/kernel.h>
  14 #include <linux/cpuidle.h>
  15 #include <linux/pm_qos.h>
  16 #include <linux/time.h>
  17 #include <linux/ktime.h>
  18 #include <linux/hrtimer.h>
  19 #include <linux/tick.h>
  20 #include <linux/sched.h>
  21 #include <linux/math64.h>
  22 #include <linux/module.h>
  23
  24 #define BUCKETS 12
  25 #define INTERVALS 8
  26 #define RESOLUTION 1024
  27 #define DECAY 8
  28 #define MAX_INTERESTING 50000
  29 #define STDDEV_THRESH 400
  30
  31
  32 /*
  33  * Concepts and ideas behind the menu governor
  34  *
  35  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
  36  * state:
  37  * 1) Energy break even point
  38  * 2) Performance impact
  39  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
  40  * These these three factors are treated independently.
  41  *
  42  * Energy break even point
  43  * -----------------------
  44  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
  45  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
  46  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
  47  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
  48  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
  49  *
  50  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
  51  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
  52  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
  53  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
  54  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
  55  * be 0.5.
  56  *
  57  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
  58  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
  59  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
  60  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
  61  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
  62  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
  63  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
  64  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
  65  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
  66  *
  67  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
  68  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
  69  * "is IO outstanding" property.
  70  *
  71  * Repeatable-interval-detector
  72  * ----------------------------
  73  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
  74  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
  75  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
  76  * mice.
  77  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
  78  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
  79  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
  80  *
  81  * Limiting Performance Impact
  82  * ---------------------------
  83  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
  84  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
  85  * and in addition, less performance has a power price of its own.
  86  *
  87  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
  88  * holds:
  89  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
  90  *
  91  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
  92  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
  93  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
  94  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
  95  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
  96  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
  97  * C state.
  98  *
  99  * Two factors are used in determing this multiplier:
 100  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
 101  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
 102  * IO on this CPU.
 103  * (these values are experimentally determined)
 104  *
 105  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
 106  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
 107  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
 108  * represented in the system load average.
 109  *
 110  */
 111
 112 struct menu_device {
 113         int             last_state_idx;
 114         int             needs_update;
 115
 116         unsigned int    expected_us;
 117         u64             predicted_us;
 118         unsigned int    exit_us;
 119         unsigned int    bucket;
 120         u64             correction_factor[BUCKETS];
 121         u32             intervals[INTERVALS];
 122         int             interval_ptr;
 123 };
 124
 125
 126 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
 127 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
 128
 129 static int get_loadavg(void)
 130 {
 131         unsigned long this = this_cpu_load();
 132
 133
 134         return LOAD_INT(this) * 10 + LOAD_FRAC(this) / 10;
 135 }
 136
 137 static inline int which_bucket(unsigned int duration)
 138 {
 139         int bucket = 0;
 140
 141         /*
 142          * We keep two groups of stats; one with no
 143          * IO pending, one without.
 144          * This allows us to calculate
 145          * E(duration)|iowait
 146          */
 147         if (nr_iowait_cpu(smp_processor_id()))
 148                 bucket = BUCKETS/2;
 149
 150         if (duration < 10)
 151                 return bucket;
 152         if (duration < 100)
 153                 return bucket + 1;
 154         if (duration < 1000)
 155                 return bucket + 2;
 156         if (duration < 10000)
 157                 return bucket + 3;
 158         if (duration < 100000)
 159                 return bucket + 4;
 160         return bucket + 5;
 161 }
 162
 163 /*
 164  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
 165  * to take performance requirements into account.
 166  * The more performance critical we estimate the system
 167  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
 168  * the barrier to go to an expensive C state.
 169  */
 170 static inline int performance_multiplier(void)
 171 {
 172         int mult = 1;
 173
 174         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
 175
 176         mult += 2 * get_loadavg();
 177
 178         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
 179         mult += 10 * nr_iowait_cpu(smp_processor_id());
 180
 181         return mult;
 182 }
 183
 184 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
 185
 186 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
 187
 188 /* This implements DIV_ROUND_CLOSEST but avoids 64 bit division */
 189 static u64 div_round64(u64 dividend, u32 divisor)
 190 {
 191         return div_u64(dividend + (divisor / 2), divisor);
 192 }
 193
 194 /*
 195  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
 196  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
 197  * of points is below a threshold. If it is... then use the
 198  * average of these 8 points as the estimated value.
 199  */
 200 static void detect_repeating_patterns(struct menu_device *data)
 201 {
 202         int i;
 203         uint64_t avg = 0;
 204         uint64_t stddev = 0; /* contains the square of the std deviation */
 205
 206         /* first calculate average and standard deviation of the past */
 207         for (i = 0; i < INTERVALS; i++)
 208                 avg += data->intervals[i];
 209         avg = avg / INTERVALS;
 210
 211         /* if the avg is beyond the known next tick, it's worthless */
 212         if (avg > data->expected_us)
 213                 return;
 214
 215         for (i = 0; i < INTERVALS; i++)
 216                 stddev += (data->intervals[i] - avg) *
 217                           (data->intervals[i] - avg);
 218
 219         stddev = stddev / INTERVALS;
 220
 221         /*
 222          * now.. if stddev is small.. then assume we have a
 223          * repeating pattern and predict we keep doing this.
 224          */
 225
 226         if (avg && stddev < STDDEV_THRESH)
 227                 data->predicted_us = avg;
 228 }
 229
 230 /**
 231  * menu_select - selects the next idle state to enter
 232  * @drv: cpuidle driver containing state data
 233  * @dev: the CPU
 234  */
 235 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
 236 {
 237         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 238         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
 239         unsigned int power_usage = -1;
 240         int i;
 241         int multiplier;
 242         struct timespec t;
 243
 244         if (data->needs_update) {
 245                 menu_update(drv, dev);
 246                 data->needs_update = 0;
 247         }
 248
 249         data->last_state_idx = 0;
 250         data->exit_us = 0;
 251
 252         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
 253         if (unlikely(latency_req == 0))
 254                 return 0;
 255
 256         /* determine the expected residency time, round up */
 257         t = ktime_to_timespec(tick_nohz_get_sleep_length());
 258         data->expected_us =
 259                 t.tv_sec * USEC_PER_SEC + t.tv_nsec / NSEC_PER_USEC;
 260
 261
 262         data->bucket = which_bucket(data->expected_us);
 263
 264         multiplier = performance_multiplier();
 265
 266         /*
 267          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
 268          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
 269          */
 270         if (data->correction_factor[data->bucket] == 0)
 271                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
 272
 273         /* Make sure to round up for half microseconds */
 274         data->predicted_us = div_round64(data->expected_us * data->correction_factor[data->bucket],
 275                                          RESOLUTION * DECAY);
 276
 277         detect_repeating_patterns(data);
 278
 279         /*
 280          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
 281          * unless the timer is happening really really soon.
 282          */
 283         if (data->expected_us > 5 &&
 284                 drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
 285                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 286
 287         /*
 288          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
 289          * our constraints.
 290          */
 291         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
 292                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
 293
 294                 if (s->disable)
 295                         continue;
 296                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
 297                         continue;
 298                 if (s->exit_latency > latency_req)
 299                         continue;
 300                 if (s->exit_latency * multiplier > data->predicted_us)
 301                         continue;
 302
 303                 if (s->power_usage < power_usage) {
 304                         power_usage = s->power_usage;
 305                         data->last_state_idx = i;
 306                         data->exit_us = s->exit_latency;
 307                 }
 308         }
 309
 310         return data->last_state_idx;
 311 }
 312
 313 /**
 314  * menu_reflect - records that data structures need update
 315  * @dev: the CPU
 316  * @index: the index of actual entered state
 317  *
 318  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
 319  *       the overall exit latency.
 320  */
 321 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
 322 {
 323         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 324         data->last_state_idx = index;
 325         if (index >= 0)
 326                 data->needs_update = 1;
 327 }
 328
 329 /**
 330  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
 331  * @drv: cpuidle driver containing state data
 332  * @dev: the CPU
 333  */
 334 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
 335 {
 336         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 337         int last_idx = data->last_state_idx;
 338         unsigned int last_idle_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
 339         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
 340         unsigned int measured_us;
 341         u64 new_factor;
 342
 343         /*
 344          * Ugh, this idle state doesn't support residency measurements, so we
 345          * are basically lost in the dark.  As a compromise, assume we slept
 346          * for the whole expected time.
 347          */
 348         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID)))
 349                 last_idle_us = data->expected_us;
 350
 351
 352         measured_us = last_idle_us;
 353
 354         /*
 355          * We correct for the exit latency; we are assuming here that the
 356          * exit latency happens after the event that we're interested in.
 357          */
 358         if (measured_us > data->exit_us)
 359                 measured_us -= data->exit_us;
 360
 361
 362         /* update our correction ratio */
 363
 364         new_factor = data->correction_factor[data->bucket]
 365                         * (DECAY - 1) / DECAY;
 366
 367         if (data->expected_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
 368                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->expected_us;
 369         else
 370                 /*
 371                  * we were idle so long that we count it as a perfect
 372                  * prediction
 373                  */
 374                 new_factor += RESOLUTION;
 375
 376         /*
 377          * We don't want 0 as factor; we always want at least
 378          * a tiny bit of estimated time.
 379          */
 380         if (new_factor == 0)
 381                 new_factor = 1;
 382
 383         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
 384
 385         /* update the repeating-pattern data */
 386         data->intervals[data->interval_ptr++] = last_idle_us;
 387         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
 388                 data->interval_ptr = 0;
 389 }
 390
 391 /**
 392  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
 393  * @drv: cpuidle driver
 394  * @dev: the CPU
 395  */
 396 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
 397                                 struct cpuidle_device *dev)
 398 {
 399         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
 400
 401         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
 402
 403         return 0;
 404 }
 405
 406 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
 407         .name =         "menu",
 408         .rating =       20,
 409         .enable =       menu_enable_device,
 410         .select =       menu_select,
 411         .reflect =      menu_reflect,
 412         .owner =        THIS_MODULE,
 413 };
 414
 415 /**
 416  * init_menu - initializes the governor
 417  */
 418 static int __init init_menu(void)
 419 {
 420         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
 421 }
 422
 423 /**
 424  * exit_menu - exits the governor
 425  */
 426 static void __exit exit_menu(void)
 427 {
 428         cpuidle_unregister_governor(&menu_governor);
 429 }
 430
 431 MODULE_LICENSE("GPL");
 432 module_init(init_menu);
 433 module_exit(exit_menu);