Linux cpuidle framework【轉】

轉自：https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11379937.html

背景

• Read the fucking source code! --By 魯迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64處理器
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 介紹

在Linux OS中，Idle進程的運行會讓CPU進入cpuidle狀態。當沒有其他進程處於運行狀態時，Scheduler會選擇Idle進程來運行，此時CPU無所事事。

在ARM64架構中，當CPU Idle時，會調用WFI指令(wait for interrupt)，關掉CPU的Clock以便降低功耗，當有外設中斷觸發時，CPU又會恢復回來。

cpuidle framework就是用來向上給Scheduler/Sysfs提供使用接口，向下用來對接不同架構的處理器，凡是框架基本都大同小異，屏蔽硬件層並抽象使用接口。

相信你已經猜到了，cpuidle和電源管理相關。

2. 框架

代碼路徑：
driver/cpuidle/cpuidle.c
driver/cpuidle/driver.c
driver/cpuidle/governor.c
driver/cpuidle/sysfs.c
kernel/shced/idle.c

老規矩，上圖：

簡單說明一下吧：調度器發現沒有Task處在運行狀態時，切換到Idle進程，此時通過cpuidle_idle_call接口調到cpuidle framework，cpuidle framework會選擇合適的策略來決定進入哪種狀態，最終回調到底層的平臺實現。

SMP處理器都有cpuidle狀態，而各個狀態下的功耗都不同，是否進入cpuidle狀態有兩個重要的參考因素：

• CPU進入-退出cpuidle狀態的latency；
• CPU處在cpuidle狀態的功耗；

Latency和功耗的tradeoff，是需要根據實際情況來選擇策略的，也就是Governor的作用。

3. 數據結構

cpuidle core抽象出了三個數據結構：

• cpuidle device：用於描述CPU核；
• cpuidle driver： 針對CPU核的驅動；
• cpuidle governor：主要根據cpuidle的device和driver狀態來選擇策略；

圖如下：

3.1 cpuidle device

針對每個CPU核都對應一個struct cpuidle_device結構，主要字段介紹如下：

• registered：該cpu核是否註冊進內核中；
• enabled：該cpu核是否已經使能；
• cpu：對應的cpu number；
• last_residency：該cpu核上一次停留在cpuidle狀態的時間（us）；
• state_count：cpuidle狀態的個數；
• states_usage：struct cpuidle_state_usage數組，記錄每個cpuidle狀態的統計信息，包括是否使能、進入該cpuidle狀態的次數，停留在該cpuidle狀態的總時間（us）；
• kobjs*：與sysfs組織相關，開發給用戶層來操作底層；
• device_list：全局鏈表，鏈接到cpuidle_detected_device上；

3.2 cpuidle driver

cpuidle driver用於驅動一個或多個CPU核，關鍵字段描述如下：

• bctimer：用於驅動註冊時判斷是否需要設置broadcast timer；
• states[]：struct cpuidle_state數組，用於描述cpuidle的狀態，需要按照功耗從大到小來排序，具體有多少個cpuidle狀態，取決於device Tree中的定義，默認已經有state[0]，如上圖所示。
• cpumask：用於表明支持哪些CPU核；

struct cpuidle_state中的enter函數，是最終進入cpuidle狀態的函數。不同處理器的cpuidle驅動實現，主要是填充state結構體。

3.3 cpuidle governor

governor結構主要提供不同的回調函數，最終由menu_governor填充，主要字段如下：

• enable/disable：在設備驅動註冊和註銷的時候調用；
• select：根據已有狀態來選擇一個cpuidle狀態；
• reflect：調用該接口告知governor，CPU上一次所處的cpuidle狀態是哪個；

流程

以cpuidle-arm.c爲例，整個註冊流程如下圖：

註冊之後便將設備和驅動建立起連接關係了，最終cpuidle framework的用戶便可通過接口來調用下層的接口，進而完成具體的硬件操作。

Idle Task通過cpuidle_enter爲入口，調用到cpuidle_framework，流程如下圖：

Idle Task調用cpuidle_enter之前，需要先通過governor來運用策略來選擇將要進入的cpuidle state。入口爲cpuidle_select，當完成狀態切換後會調用cpuidle_reflect來將信息更新到governor。具體的圖如下：

其中Governor關於狀態的策略選擇，可以參考menu.c的註釋，主要有三個決定因素：

1. 功耗平衡點，也就是需要權衡考慮cpuidle狀態帶來的功耗節省和在該cpuidle狀態下的停留時間，假如停留時間太短（小於target_residency），則不划算。
2. 性能影響，那些具有大的延遲退出（exit_latency）的cpuidle state，通常會對工作負載產生較大影響，這個對系統管理員來說是不可接受的。此外，低性能往往也意味着低功耗。
3. 延遲容忍度（從pmqos框架獲取），在滿足延遲容忍度latency_req的條件下，選擇功耗最小的cpuidle狀態。

具體的策略不再分析，請直接看driver/cpuilde/menu.c代碼及註釋。

作者：LoyenWang
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