1. 前言简介

Linux系统中，CPU被两类程序占用：

一类是进程和线程（kernel线程），也称进程上下文；
一类是各种中断、异常的处理程序，也称中断上下文；

为什么要引入CPUidle？

当CPU没有任务空闲时，让CPU置为WFI（Wait for interrupt）低功耗状态，以节省功耗。

怎么实现CPUidle？

在系统的第一个进程（pid为 0的零号进程）完成初始化任务之后，将其转变为idle进程（如评论，也称上帝进程）；
当其他进程都没有被调度时，idle进程就被调度，准备让CPU进入idle状态；
最终，由idle进程调用idle指令（比如ARM chip 的WFI 指令），让CPU进入idle状态。

2. Linux CPUidle 原理介绍

2.1 CPUidle 总体框架

2.1.1 外部模块：kernel sched

系统调度模块，没任务调度时系统便进入idle（2.2节介绍）。负责实现idle线程的通用入口逻辑，包括idle模式选择、idle进入等；
/kernel/sched/idle.c

2.1.2 核心模块：cpuidle core

以函数调用形式向上层外部模块sched提供接口；
以sysfs的形式，向用户空间提供接口；
向下层硬件平台相关cpuidle drivers提供注册管理接口；
向idle算法模块governors提供注册和管理接口；
/drivers/cpuidle/cpuidle.c, governor.c, sysfs.c, driver.c

2.1.3 平台相关：cpuidle drivers

负责硬件平台相关idle机制的实现，具体如何实现进入idle状态，什么条件下会退出等，下面分别是arm64芯片和mtk公司芯片平台相关代码；
/drivers/cpuidle/cpuidle-arm64.c, cpuidle-mtk_acao.c

2.1.4 算法模块：cpuidle governors

选择要进入哪个idle 状态的算法模块相关代码；
/drivers/cpuidle/governors/*

2.2 Linux Idle sched 模块核心构架

系统开机过程中，跑在第一个cpu 的kernel 0号进程从start_kernel 到rest_init 做了各种初始化，最后该linux kernel 0 进程被置为idle 进程。如果是多核的CPU，其他核也会从secondary_start_kernel进口做完相关的初始化后被置为idle 进程。

如下ps -A 命令结果，可以看到1号 init 进程和2号 kthreadadd 进程的 ppid （父进程id）是0 号进程初始化得到（上面流程代码kernel_thead fork创建）.

如上面的代码流程图和《Linux cpuidle framework(1)_概述和软件架构》介绍，idle进程一直在检测系统当前是否需要调度，如果不需要调度（!need_resched()，即系统Idle 空闲），则执行进入idle的过程：

cpuidle_select，通过cpuidle governor，选择一个cpuidle state
cpuidle_enter，通过cpuidle state，进入该idle状态
cpuidle_reflect，通知cpuidle governor，更新状态

2.3 选择idle状态的考量依据

由于SoC（System on Chip，片上系统，比如MTK 公司的G90 MT6785，包括CPU、GPU等）越来越复杂，芯片各种模块资源也多，所有设计多种级别idle状态（在MTK 的SoC一般有 wfi, cpuoff, cluster_off, sodi, dpidle, sodi3 状态）。idle 状态下关闭的系统资源越多，idle的功耗就越低，但对应进入和退出该idle状态过程使用的延迟时间（exit_latency，该字段在系统代码中表示进和退idle过程中消耗的时间）就越长。

对延迟较敏感的场合，可以使用低延迟、高功耗的idle（即比较浅的idle状态，进入过程消耗的时间也少）；
对延迟不敏感的场合，可以使用高延迟、低功耗的idle（即比较深的idle状态，进入过程消耗的时间长，因为要关闭的系统资源多）；

如下图，由于进入和退出idle 过程中消耗的功耗高，所以要保证在idle状态下驻留时间（last residency）呆着足够长，才能达到省电的效果。 如果频繁地进入和退出更深层的idle反而会更耗电，因为进入和退出深层的idle过程的延迟时间比较大，而且进入和退出的过程中功耗也高。

怎么选择进入idle状态才能保证达到省电的效果（即上面 绿色的面积 > 红色的面积），这就是cpuidle governor 要做的工作了。《Linux cpuidle framework(4)_menu governor 》中介绍了menu governor，这个governor相对有点难，本文后面介绍相对简单的ladder governor。