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