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_params.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
  22 #define BUCKETS 12
  23 #define RESOLUTION 1024
  24 #define DECAY 4
  25 #define MAX_INTERESTING 50000
  26
  27 /*
  28  * Concepts and ideas behind the menu governor
  29  *
  30  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
  31  * state:
  32  * 1) Energy break even point
  33  * 2) Performance impact
  34  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
  35  * These these three factors are treated independently.
  36  *
  37  * Energy break even point
  38  * -----------------------
  39  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
  40  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
  41  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
  42  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
  43  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
  44  *
  45  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
  46  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
  47  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
  48  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
  49  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
  50  * be 0.5.
  51  *
  52  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
  53  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
  54  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
  55  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
  56  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
  57  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
  58  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
  59  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
  60  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
  61  *
  62  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
  63  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
  64  * "is IO outstanding" property.
  65  *
  66  * Limiting Performance Impact
  67  * ---------------------------
  68  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
  69  * noticable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
  70  * and in addition, less performance has a power price of its own.
  71  *
  72  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
  73  * holds:
  74  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
  75  *
  76  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
  77  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
  78  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
  79  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
  80  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
  81  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
  82  * C state.
  83  *
  84  * Two factors are used in determing this multiplier:
  85  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
  86  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
  87  * IO on this CPU.
  88  * (these values are experimentally determined)
  89  *
  90  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
  91  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
  92  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
  93  * represented in the system load average.
  94  *
  95  */
  96
  97 struct menu_device {
  98         int             last_state_idx;
  99         int             needs_update;
 100
 101         unsigned int    expected_us;
 102         u64             predicted_us;
 103         unsigned int    measured_us;
 104         unsigned int    exit_us;
 105         unsigned int    bucket;
 106         u64             correction_factor[BUCKETS];
 107 };
 108
 109
 110 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
 111 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
 112
 113 static int get_loadavg(void)
 114 {
 115         unsigned long this = this_cpu_load();
 116
 117
 118         return LOAD_INT(this) * 10 + LOAD_FRAC(this) / 10;
 119 }
 120
 121 static inline int which_bucket(unsigned int duration)
 122 {
 123         int bucket = 0;
 124
 125         /*
 126          * We keep two groups of stats; one with no
 127          * IO pending, one without.
 128          * This allows us to calculate
 129          * E(duration)|iowait
 130          */
 131         if (nr_iowait_cpu())
 132                 bucket = BUCKETS/2;
 133
 134         if (duration < 10)
 135                 return bucket;
 136         if (duration < 100)
 137                 return bucket + 1;
 138         if (duration < 1000)
 139                 return bucket + 2;
 140         if (duration < 10000)
 141                 return bucket + 3;
 142         if (duration < 100000)
 143                 return bucket + 4;
 144         return bucket + 5;
 145 }
 146
 147 /*
 148  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
 149  * to take performance requirements into account.
 150  * The more performance critical we estimate the system
 151  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
 152  * the barrier to go to an expensive C state.
 153  */
 154 static inline int performance_multiplier(void)
 155 {
 156         int mult = 1;
 157
 158         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
 159
 160         mult += 2 * get_loadavg();
 161
 162         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
 163         mult += 10 * nr_iowait_cpu();
 164
 165         return mult;
 166 }
 167
 168 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
 169
 170 static void menu_update(struct cpuidle_device *dev);
 171
 172 /**
 173  * menu_select - selects the next idle state to enter
 174  * @dev: the CPU
 175  */
 176 static int menu_select(struct cpuidle_device *dev)
 177 {
 178         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 179         int latency_req = pm_qos_requirement(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
 180         int i;
 181         int multiplier;
 182
 183         data->last_state_idx = 0;
 184         data->exit_us = 0;
 185
 186         if (data->needs_update) {
 187                 menu_update(dev);
 188                 data->needs_update = 0;
 189         }
 190
 191         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
 192         if (unlikely(latency_req == 0))
 193                 return 0;
 194
 195         /* determine the expected residency time, round up */
 196         data->expected_us =
 197             DIV_ROUND_UP((u32)ktime_to_ns(tick_nohz_get_sleep_length()), 1000);
 198
 199
 200         data->bucket = which_bucket(data->expected_us);
 201
 202         multiplier = performance_multiplier();
 203
 204         /*
 205          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
 206          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
 207          */
 208         if (data->correction_factor[data->bucket] == 0)
 209                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
 210
 211         /* Make sure to round up for half microseconds */
 212         data->predicted_us = DIV_ROUND_CLOSEST(
 213                 data->expected_us * data->correction_factor[data->bucket],
 214                 RESOLUTION * DECAY);
 215
 216         /*
 217          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
 218          * unless the timer is happening really really soon.
 219          */
 220         if (data->expected_us > 5)
 221                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 222
 223
 224         /* find the deepest idle state that satisfies our constraints */
 225         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < dev->state_count; i++) {
 226                 struct cpuidle_state *s = &dev->states[i];
 227
 228                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
 229                         break;
 230                 if (s->exit_latency > latency_req)
 231                         break;
 232                 if (s->exit_latency * multiplier > data->predicted_us)
 233                         break;
 234                 data->exit_us = s->exit_latency;
 235                 data->last_state_idx = i;
 236         }
 237
 238         return data->last_state_idx;
 239 }
 240
 241 /**
 242  * menu_reflect - records that data structures need update
 243  * @dev: the CPU
 244  *
 245  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
 246  *       the overall exit latency.
 247  */
 248 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev)
 249 {
 250         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 251         data->needs_update = 1;
 252 }
 253
 254 /**
 255  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
 256  * @dev: the CPU
 257  */
 258 static void menu_update(struct cpuidle_device *dev)
 259 {
 260         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 261         int last_idx = data->last_state_idx;
 262         unsigned int last_idle_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
 263         struct cpuidle_state *target = &dev->states[last_idx];
 264         unsigned int measured_us;
 265         u64 new_factor;
 266
 267         /*
 268          * Ugh, this idle state doesn't support residency measurements, so we
 269          * are basically lost in the dark.  As a compromise, assume we slept
 270          * for the whole expected time.
 271          */
 272         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID)))
 273                 last_idle_us = data->expected_us;
 274
 275
 276         measured_us = last_idle_us;
 277
 278         /*
 279          * We correct for the exit latency; we are assuming here that the
 280          * exit latency happens after the event that we're interested in.
 281          */
 282         if (measured_us > data->exit_us)
 283                 measured_us -= data->exit_us;
 284
 285
 286         /* update our correction ratio */
 287
 288         new_factor = data->correction_factor[data->bucket]
 289                         * (DECAY - 1) / DECAY;
 290
 291         if (data->expected_us > 0 && data->measured_us < MAX_INTERESTING)
 292                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->expected_us;
 293         else
 294                 /*
 295                  * we were idle so long that we count it as a perfect
 296                  * prediction
 297                  */
 298                 new_factor += RESOLUTION;
 299
 300         /*
 301          * We don't want 0 as factor; we always want at least
 302          * a tiny bit of estimated time.
 303          */
 304         if (new_factor == 0)
 305                 new_factor = 1;
 306
 307         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
 308 }
 309
 310 /**
 311  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
 312  * @dev: the CPU
 313  */
 314 static int menu_enable_device(struct cpuidle_device *dev)
 315 {
 316         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
 317
 318         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
 319
 320         return 0;
 321 }
 322
 323 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
 324         .name =         "menu",
 325         .rating =       20,
 326         .enable =       menu_enable_device,
 327         .select =       menu_select,
 328         .reflect =      menu_reflect,
 329         .owner =        THIS_MODULE,
 330 };
 331
 332 /**
 333  * init_menu - initializes the governor
 334  */
 335 static int __init init_menu(void)
 336 {
 337         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
 338 }
 339
 340 /**
 341  * exit_menu - exits the governor
 342  */
 343 static void __exit exit_menu(void)
 344 {
 345         cpuidle_unregister_governor(&menu_governor);
 346 }
 347
 348 MODULE_LICENSE("GPL");
 349 module_init(init_menu);
 350 module_exit(exit_menu);