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.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/sched/loadavg.h>
  22 #include <linux/sched/stat.h>
  23 #include <linux/math64.h>
  24 #include <linux/cpu.h>
  25
  26 /*
  27  * Please note when changing the tuning values:
  28  * If (MAX_INTERESTING-1) * RESOLUTION > UINT_MAX, the result of
  29  * a scaling operation multiplication may overflow on 32 bit platforms.
  30  * In that case, #define RESOLUTION as ULL to get 64 bit result:
  31  * #define RESOLUTION 1024ULL
  32  *
  33  * The default values do not overflow.
  34  */
  35 #define BUCKETS 12
  36 #define INTERVAL_SHIFT 3
  37 #define INTERVALS (1UL << INTERVAL_SHIFT)
  38 #define RESOLUTION 1024
  39 #define DECAY 8
  40 #define MAX_INTERESTING 50000
  41
  42
  43 /*
  44  * Concepts and ideas behind the menu governor
  45  *
  46  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
  47  * state:
  48  * 1) Energy break even point
  49  * 2) Performance impact
  50  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
  51  * These these three factors are treated independently.
  52  *
  53  * Energy break even point
  54  * -----------------------
  55  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
  56  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
  57  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
  58  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
  59  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
  60  *
  61  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
  62  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
  63  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
  64  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
  65  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
  66  * be 0.5.
  67  *
  68  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
  69  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
  70  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
  71  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
  72  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
  73  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
  74  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
  75  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
  76  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
  77  *
  78  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
  79  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
  80  * "is IO outstanding" property.
  81  *
  82  * Repeatable-interval-detector
  83  * ----------------------------
  84  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
  85  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
  86  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
  87  * mice.
  88  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
  89  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
  90  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
  91  *
  92  * Limiting Performance Impact
  93  * ---------------------------
  94  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
  95  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
  96  * and in addition, less performance has a power price of its own.
  97  *
  98  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
  99  * holds:
 100  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
 101  *
 102  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
 103  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
 104  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
 105  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
 106  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
 107  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
 108  * C state.
 109  *
 110  * Two factors are used in determing this multiplier:
 111  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
 112  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
 113  * IO on this CPU.
 114  * (these values are experimentally determined)
 115  *
 116  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
 117  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
 118  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
 119  * represented in the system load average.
 120  *
 121  */
 122
 123 struct menu_device {
 124         int             last_state_idx;
 125         int             needs_update;
 126
 127         unsigned int    next_timer_us;
 128         unsigned int    predicted_us;
 129         unsigned int    bucket;
 130         unsigned int    correction_factor[BUCKETS];
 131         unsigned int    intervals[INTERVALS];
 132         int             interval_ptr;
 133 };
 134
 135
 136 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
 137 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
 138
 139 static inline int get_loadavg(unsigned long load)
 140 {
 141         return LOAD_INT(load) * 10 + LOAD_FRAC(load) / 10;
 142 }
 143
 144 static inline int which_bucket(unsigned int duration, unsigned long nr_iowaiters)
 145 {
 146         int bucket = 0;
 147
 148         /*
 149          * We keep two groups of stats; one with no
 150          * IO pending, one without.
 151          * This allows us to calculate
 152          * E(duration)|iowait
 153          */
 154         if (nr_iowaiters)
 155                 bucket = BUCKETS/2;
 156
 157         if (duration < 10)
 158                 return bucket;
 159         if (duration < 100)
 160                 return bucket + 1;
 161         if (duration < 1000)
 162                 return bucket + 2;
 163         if (duration < 10000)
 164                 return bucket + 3;
 165         if (duration < 100000)
 166                 return bucket + 4;
 167         return bucket + 5;
 168 }
 169
 170 /*
 171  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
 172  * to take performance requirements into account.
 173  * The more performance critical we estimate the system
 174  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
 175  * the barrier to go to an expensive C state.
 176  */
 177 static inline int performance_multiplier(unsigned long nr_iowaiters, unsigned long load)
 178 {
 179         int mult = 1;
 180
 181         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
 182
 183         mult += 2 * get_loadavg(load);
 184
 185         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
 186         mult += 10 * nr_iowaiters;
 187
 188         return mult;
 189 }
 190
 191 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
 192
 193 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
 194
 195 /*
 196  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
 197  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
 198  * of points is below a threshold. If it is... then use the
 199  * average of these 8 points as the estimated value.
 200  */
 201 static unsigned int get_typical_interval(struct menu_device *data)
 202 {
 203         int i, divisor;
 204         unsigned int max, thresh, avg;
 205         uint64_t sum, variance;
 206
 207         thresh = UINT_MAX; /* Discard outliers above this value */
 208
 209 again:
 210
 211         /* First calculate the average of past intervals */
 212         max = 0;
 213         sum = 0;
 214         divisor = 0;
 215         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
 216                 unsigned int value = data->intervals[i];
 217                 if (value <= thresh) {
 218                         sum += value;
 219                         divisor++;
 220                         if (value > max)
 221                                 max = value;
 222                 }
 223         }
 224         if (divisor == INTERVALS)
 225                 avg = sum >> INTERVAL_SHIFT;
 226         else
 227                 avg = div_u64(sum, divisor);
 228
 229         /* Then try to determine variance */
 230         variance = 0;
 231         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
 232                 unsigned int value = data->intervals[i];
 233                 if (value <= thresh) {
 234                         int64_t diff = (int64_t)value - avg;
 235                         variance += diff * diff;
 236                 }
 237         }
 238         if (divisor == INTERVALS)
 239                 variance >>= INTERVAL_SHIFT;
 240         else
 241                 do_div(variance, divisor);
 242
 243         /*
 244          * The typical interval is obtained when standard deviation is
 245          * small (stddev <= 20 us, variance <= 400 us^2) or standard
 246          * deviation is small compared to the average interval (avg >
 247          * 6*stddev, avg^2 > 36*variance). The average is smaller than
 248          * UINT_MAX aka U32_MAX, so computing its square does not
 249          * overflow a u64. We simply reject this candidate average if
 250          * the standard deviation is greater than 715 s (which is
 251          * rather unlikely).
 252          *
 253          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
 254          */
 255         if (likely(variance <= U64_MAX/36)) {
 256                 if ((((u64)avg*avg > variance*36) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
 257                                                         || variance <= 400) {
 258                         return avg;
 259                 }
 260         }
 261
 262         /*
 263          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
 264          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
 265          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
 266          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
 267          *
 268          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
 269          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
 270          */
 271         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
 272                 return UINT_MAX;
 273
 274         thresh = max - 1;
 275         goto again;
 276 }
 277
 278 /**
 279  * menu_select - selects the next idle state to enter
 280  * @drv: cpuidle driver containing state data
 281  * @dev: the CPU
 282  */
 283 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
 284 {
 285         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 286         struct device *device = get_cpu_device(dev->cpu);
 287         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
 288         int i;
 289         unsigned int interactivity_req;
 290         unsigned int expected_interval;
 291         unsigned long nr_iowaiters, cpu_load;
 292         int resume_latency = dev_pm_qos_raw_read_value(device);
 293
 294         if (data->needs_update) {
 295                 menu_update(drv, dev);
 296                 data->needs_update = 0;
 297         }
 298
 299         /* resume_latency is 0 means no restriction */
 300         if (resume_latency && resume_latency < latency_req)
 301                 latency_req = resume_latency;
 302
 303         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
 304         if (unlikely(latency_req == 0))
 305                 return 0;
 306
 307         /* determine the expected residency time, round up */
 308         data->next_timer_us = ktime_to_us(tick_nohz_get_sleep_length());
 309
 310         get_iowait_load(&nr_iowaiters, &cpu_load);
 311         data->bucket = which_bucket(data->next_timer_us, nr_iowaiters);
 312
 313         /*
 314          * Force the result of multiplication to be 64 bits even if both
 315          * operands are 32 bits.
 316          * Make sure to round up for half microseconds.
 317          */
 318         data->predicted_us = DIV_ROUND_CLOSEST_ULL((uint64_t)data->next_timer_us *
 319                                          data->correction_factor[data->bucket],
 320                                          RESOLUTION * DECAY);
 321
 322         expected_interval = get_typical_interval(data);
 323         expected_interval = min(expected_interval, data->next_timer_us);
 324
 325         if (CPUIDLE_DRIVER_STATE_START > 0) {
 326                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START];
 327                 unsigned int polling_threshold;
 328
 329                 /*
 330                  * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
 331                  * unless the timer is happening really really soon, or
 332                  * C1's exit latency exceeds the user configured limit.
 333                  */
 334                 polling_threshold = max_t(unsigned int, 20, s->target_residency);
 335                 if (data->next_timer_us > polling_threshold &&
 336                     latency_req > s->exit_latency && !s->disabled &&
 337                     !dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable)
 338                         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 339                 else
 340                         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START - 1;
 341         } else {
 342                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 343         }
 344
 345         /*
 346          * Use the lowest expected idle interval to pick the idle state.
 347          */
 348         data->predicted_us = min(data->predicted_us, expected_interval);
 349
 350         /*
 351          * Use the performance multiplier and the user-configurable
 352          * latency_req to determine the maximum exit latency.
 353          */
 354         interactivity_req = data->predicted_us / performance_multiplier(nr_iowaiters, cpu_load);
 355         if (latency_req > interactivity_req)
 356                 latency_req = interactivity_req;
 357
 358         /*
 359          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
 360          * our constraints.
 361          */
 362         for (i = data->last_state_idx + 1; i < drv->state_count; i++) {
 363                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
 364                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
 365
 366                 if (s->disabled || su->disable)
 367                         continue;
 368                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
 369                         break;
 370                 if (s->exit_latency > latency_req)
 371                         break;
 372
 373                 data->last_state_idx = i;
 374         }
 375
 376         return data->last_state_idx;
 377 }
 378
 379 /**
 380  * menu_reflect - records that data structures need update
 381  * @dev: the CPU
 382  * @index: the index of actual entered state
 383  *
 384  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
 385  *       the overall exit latency.
 386  */
 387 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
 388 {
 389         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 390
 391         data->last_state_idx = index;
 392         data->needs_update = 1;
 393 }
 394
 395 /**
 396  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
 397  * @drv: cpuidle driver containing state data
 398  * @dev: the CPU
 399  */
 400 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
 401 {
 402         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 403         int last_idx = data->last_state_idx;
 404         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
 405         unsigned int measured_us;
 406         unsigned int new_factor;
 407
 408         /*
 409          * Try to figure out how much time passed between entry to low
 410          * power state and occurrence of the wakeup event.
 411          *
 412          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
 413          * we use them anyway if they are short, and if long,
 414          * truncate to the whole expected time.
 415          *
 416          * Any measured amount of time will include the exit latency.
 417          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
 418          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
 419          * the measured amount of time is less than the exit latency,
 420          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
 421          */
 422
 423         /* measured value */
 424         measured_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
 425
 426         /* Deduct exit latency */
 427         if (measured_us > 2 * target->exit_latency)
 428                 measured_us -= target->exit_latency;
 429         else
 430                 measured_us /= 2;
 431
 432         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
 433         if (measured_us > data->next_timer_us)
 434                 measured_us = data->next_timer_us;
 435
 436         /* Update our correction ratio */
 437         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
 438         new_factor -= new_factor / DECAY;
 439
 440         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
 441                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
 442         else
 443                 /*
 444                  * we were idle so long that we count it as a perfect
 445                  * prediction
 446                  */
 447                 new_factor += RESOLUTION;
 448
 449         /*
 450          * We don't want 0 as factor; we always want at least
 451          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
 452          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
 453          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
 454          */
 455         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
 456                 new_factor = 1;
 457
 458         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
 459
 460         /* update the repeating-pattern data */
 461         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
 462         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
 463                 data->interval_ptr = 0;
 464 }
 465
 466 /**
 467  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
 468  * @drv: cpuidle driver
 469  * @dev: the CPU
 470  */
 471 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
 472                                 struct cpuidle_device *dev)
 473 {
 474         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
 475         int i;
 476
 477         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
 478
 479         /*
 480          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
 481          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
 482          */
 483         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
 484                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
 485
 486         return 0;
 487 }
 488
 489 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
 490         .name =         "menu",
 491         .rating =       20,
 492         .enable =       menu_enable_device,
 493         .select =       menu_select,
 494         .reflect =      menu_reflect,
 495 };
 496
 497 /**
 498  * init_menu - initializes the governor
 499  */
 500 static int __init init_menu(void)
 501 {
 502         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
 503 }
 504
 505 postcore_initcall(init_menu);