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 RESOLUTION 1024
  25 #define DECAY 4
  26 #define MAX_INTERESTING 50000
  27
  28 /*
  29  * Concepts and ideas behind the menu governor
  30  *
  31  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
  32  * state:
  33  * 1) Energy break even point
  34  * 2) Performance impact
  35  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
  36  * These these three factors are treated independently.
  37  *
  38  * Energy break even point
  39  * -----------------------
  40  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
  41  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
  42  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
  43  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
  44  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
  45  *
  46  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
  47  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
  48  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
  49  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
  50  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
  51  * be 0.5.
  52  *
  53  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
  54  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
  55  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
  56  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
  57  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
  58  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
  59  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
  60  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
  61  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
  62  *
  63  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
  64  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
  65  * "is IO outstanding" property.
  66  *
  67  * Limiting Performance Impact
  68  * ---------------------------
  69  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
  70  * noticable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
  71  * and in addition, less performance has a power price of its own.
  72  *
  73  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
  74  * holds:
  75  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
  76  *
  77  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
  78  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
  79  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
  80  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
  81  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
  82  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
  83  * C state.
  84  *
  85  * Two factors are used in determing this multiplier:
  86  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
  87  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
  88  * IO on this CPU.
  89  * (these values are experimentally determined)
  90  *
  91  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
  92  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
  93  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
  94  * represented in the system load average.
  95  *
  96  */
  97
  98 struct menu_device {
  99         int             last_state_idx;
 100         int             needs_update;
 101
 102         unsigned int    expected_us;
 103         u64             predicted_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 /* This implements DIV_ROUND_CLOSEST but avoids 64 bit division */
 173 static u64 div_round64(u64 dividend, u32 divisor)
 174 {
 175         return div_u64(dividend + (divisor / 2), divisor);
 176 }
 177
 178 /**
 179  * menu_select - selects the next idle state to enter
 180  * @dev: the CPU
 181  */
 182 static int menu_select(struct cpuidle_device *dev)
 183 {
 184         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 185         int latency_req = pm_qos_requirement(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
 186         int i;
 187         int multiplier;
 188
 189         if (data->needs_update) {
 190                 menu_update(dev);
 191                 data->needs_update = 0;
 192         }
 193
 194         data->last_state_idx = 0;
 195         data->exit_us = 0;
 196
 197         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
 198         if (unlikely(latency_req == 0))
 199                 return 0;
 200
 201         /* determine the expected residency time, round up */
 202         data->expected_us =
 203             DIV_ROUND_UP((u32)ktime_to_ns(tick_nohz_get_sleep_length()), 1000);
 204
 205
 206         data->bucket = which_bucket(data->expected_us);
 207
 208         multiplier = performance_multiplier();
 209
 210         /*
 211          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
 212          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
 213          */
 214         if (data->correction_factor[data->bucket] == 0)
 215                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
 216
 217         /* Make sure to round up for half microseconds */
 218         data->predicted_us = div_round64(data->expected_us * data->correction_factor[data->bucket],
 219                                          RESOLUTION * DECAY);
 220
 221         /*
 222          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
 223          * unless the timer is happening really really soon.
 224          */
 225         if (data->expected_us > 5)
 226                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 227
 228
 229         /* find the deepest idle state that satisfies our constraints */
 230         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < dev->state_count; i++) {
 231                 struct cpuidle_state *s = &dev->states[i];
 232
 233                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
 234                         break;
 235                 if (s->exit_latency > latency_req)
 236                         break;
 237                 if (s->exit_latency * multiplier > data->predicted_us)
 238                         break;
 239                 data->exit_us = s->exit_latency;
 240                 data->last_state_idx = i;
 241         }
 242
 243         return data->last_state_idx;
 244 }
 245
 246 /**
 247  * menu_reflect - records that data structures need update
 248  * @dev: the CPU
 249  *
 250  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
 251  *       the overall exit latency.
 252  */
 253 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev)
 254 {
 255         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 256         data->needs_update = 1;
 257 }
 258
 259 /**
 260  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
 261  * @dev: the CPU
 262  */
 263 static void menu_update(struct cpuidle_device *dev)
 264 {
 265         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
 266         int last_idx = data->last_state_idx;
 267         unsigned int last_idle_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
 268         struct cpuidle_state *target = &dev->states[last_idx];
 269         unsigned int measured_us;
 270         u64 new_factor;
 271
 272         /*
 273          * Ugh, this idle state doesn't support residency measurements, so we
 274          * are basically lost in the dark.  As a compromise, assume we slept
 275          * for the whole expected time.
 276          */
 277         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID)))
 278                 last_idle_us = data->expected_us;
 279
 280
 281         measured_us = last_idle_us;
 282
 283         /*
 284          * We correct for the exit latency; we are assuming here that the
 285          * exit latency happens after the event that we're interested in.
 286          */
 287         if (measured_us > data->exit_us)
 288                 measured_us -= data->exit_us;
 289
 290
 291         /* update our correction ratio */
 292
 293         new_factor = data->correction_factor[data->bucket]
 294                         * (DECAY - 1) / DECAY;
 295
 296         if (data->expected_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
 297                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->expected_us;
 298         else
 299                 /*
 300                  * we were idle so long that we count it as a perfect
 301                  * prediction
 302                  */
 303                 new_factor += RESOLUTION;
 304
 305         /*
 306          * We don't want 0 as factor; we always want at least
 307          * a tiny bit of estimated time.
 308          */
 309         if (new_factor == 0)
 310                 new_factor = 1;
 311
 312         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
 313 }
 314
 315 /**
 316  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
 317  * @dev: the CPU
 318  */
 319 static int menu_enable_device(struct cpuidle_device *dev)
 320 {
 321         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
 322
 323         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
 324
 325         return 0;
 326 }
 327
 328 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
 329         .name =         "menu",
 330         .rating =       20,
 331         .enable =       menu_enable_device,
 332         .select =       menu_select,
 333         .reflect =      menu_reflect,
 334         .owner =        THIS_MODULE,
 335 };
 336
 337 /**
 338  * init_menu - initializes the governor
 339  */
 340 static int __init init_menu(void)
 341 {
 342         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
 343 }
 344
 345 /**
 346  * exit_menu - exits the governor
 347  */
 348 static void __exit exit_menu(void)
 349 {
 350         cpuidle_unregister_governor(&menu_governor);
 351 }
 352
 353 MODULE_LICENSE("GPL");
 354 module_init(init_menu);
 355 module_exit(exit_menu);