00c5f891e3528d25372d74ae5b08d3dc627a8e9f
[linux-2.6-block.git] / 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/math64.h>
22 #include <linux/module.h>
23
24 /*
25  * Please note when changing the tuning values:
26  * If (MAX_INTERESTING-1) * RESOLUTION > UINT_MAX, the result of
27  * a scaling operation multiplication may overflow on 32 bit platforms.
28  * In that case, #define RESOLUTION as ULL to get 64 bit result:
29  * #define RESOLUTION 1024ULL
30  *
31  * The default values do not overflow.
32  */
33 #define BUCKETS 12
34 #define INTERVAL_SHIFT 3
35 #define INTERVALS (1UL << INTERVAL_SHIFT)
36 #define RESOLUTION 1024
37 #define DECAY 8
38 #define MAX_INTERESTING 50000
39
40
41 /*
42  * Concepts and ideas behind the menu governor
43  *
44  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
45  * state:
46  * 1) Energy break even point
47  * 2) Performance impact
48  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
49  * These these three factors are treated independently.
50  *
51  * Energy break even point
52  * -----------------------
53  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
54  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
55  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
56  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
57  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
58  *
59  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
60  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
61  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
62  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
63  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
64  * be 0.5.
65  *
66  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
67  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
68  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
69  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
70  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
71  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
72  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
73  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
74  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
75  *
76  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
77  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
78  * "is IO outstanding" property.
79  *
80  * Repeatable-interval-detector
81  * ----------------------------
82  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
83  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
84  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
85  * mice.
86  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
87  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
88  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
89  *
90  * Limiting Performance Impact
91  * ---------------------------
92  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
93  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
94  * and in addition, less performance has a power price of its own.
95  *
96  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
97  * holds:
98  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
99  *
100  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
101  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
102  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
103  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
104  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
105  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
106  * C state.
107  *
108  * Two factors are used in determing this multiplier:
109  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
110  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
111  * IO on this CPU.
112  * (these values are experimentally determined)
113  *
114  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
115  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
116  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
117  * represented in the system load average.
118  *
119  */
120
121 struct menu_device {
122         int             last_state_idx;
123         int             needs_update;
124
125         unsigned int    next_timer_us;
126         unsigned int    predicted_us;
127         unsigned int    bucket;
128         unsigned int    correction_factor[BUCKETS];
129         unsigned int    intervals[INTERVALS];
130         int             interval_ptr;
131 };
132
133
134 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
135 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
136
137 static inline int get_loadavg(unsigned long load)
138 {
139         return LOAD_INT(load) * 10 + LOAD_FRAC(load) / 10;
140 }
141
142 static inline int which_bucket(unsigned int duration, unsigned long nr_iowaiters)
143 {
144         int bucket = 0;
145
146         /*
147          * We keep two groups of stats; one with no
148          * IO pending, one without.
149          * This allows us to calculate
150          * E(duration)|iowait
151          */
152         if (nr_iowaiters)
153                 bucket = BUCKETS/2;
154
155         if (duration < 10)
156                 return bucket;
157         if (duration < 100)
158                 return bucket + 1;
159         if (duration < 1000)
160                 return bucket + 2;
161         if (duration < 10000)
162                 return bucket + 3;
163         if (duration < 100000)
164                 return bucket + 4;
165         return bucket + 5;
166 }
167
168 /*
169  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
170  * to take performance requirements into account.
171  * The more performance critical we estimate the system
172  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
173  * the barrier to go to an expensive C state.
174  */
175 static inline int performance_multiplier(unsigned long nr_iowaiters, unsigned long load)
176 {
177         int mult = 1;
178
179         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
180
181         mult += 2 * get_loadavg(load);
182
183         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
184         mult += 10 * nr_iowaiters;
185
186         return mult;
187 }
188
189 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
190
191 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
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 unsigned int get_typical_interval(struct menu_device *data)
200 {
201         int i, divisor;
202         unsigned int max, thresh, avg;
203         uint64_t sum, variance;
204
205         thresh = UINT_MAX; /* Discard outliers above this value */
206
207 again:
208
209         /* First calculate the average of past intervals */
210         max = 0;
211         sum = 0;
212         divisor = 0;
213         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
214                 unsigned int value = data->intervals[i];
215                 if (value <= thresh) {
216                         sum += value;
217                         divisor++;
218                         if (value > max)
219                                 max = value;
220                 }
221         }
222         if (divisor == INTERVALS)
223                 avg = sum >> INTERVAL_SHIFT;
224         else
225                 avg = div_u64(sum, divisor);
226
227         /* Then try to determine variance */
228         variance = 0;
229         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
230                 unsigned int value = data->intervals[i];
231                 if (value <= thresh) {
232                         int64_t diff = (int64_t)value - avg;
233                         variance += diff * diff;
234                 }
235         }
236         if (divisor == INTERVALS)
237                 variance >>= INTERVAL_SHIFT;
238         else
239                 do_div(variance, divisor);
240
241         /*
242          * The typical interval is obtained when standard deviation is
243          * small (stddev <= 20 us, variance <= 400 us^2) or standard
244          * deviation is small compared to the average interval (avg >
245          * 6*stddev, avg^2 > 36*variance). The average is smaller than
246          * UINT_MAX aka U32_MAX, so computing its square does not
247          * overflow a u64. We simply reject this candidate average if
248          * the standard deviation is greater than 715 s (which is
249          * rather unlikely).
250          *
251          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
252          */
253         if (likely(variance <= U64_MAX/36)) {
254                 if ((((u64)avg*avg > variance*36) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
255                                                         || variance <= 400) {
256                         return avg;
257                 }
258         }
259
260         /*
261          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
262          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
263          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
264          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
265          *
266          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
267          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
268          */
269         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
270                 return UINT_MAX;
271
272         thresh = max - 1;
273         goto again;
274 }
275
276 /**
277  * menu_select - selects the next idle state to enter
278  * @drv: cpuidle driver containing state data
279  * @dev: the CPU
280  */
281 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
282 {
283         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
284         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
285         int i;
286         unsigned int interactivity_req;
287         unsigned int expected_interval;
288         unsigned long nr_iowaiters, cpu_load;
289
290         if (data->needs_update) {
291                 menu_update(drv, dev);
292                 data->needs_update = 0;
293         }
294
295         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
296         if (unlikely(latency_req == 0))
297                 return 0;
298
299         /* determine the expected residency time, round up */
300         data->next_timer_us = ktime_to_us(tick_nohz_get_sleep_length());
301
302         get_iowait_load(&nr_iowaiters, &cpu_load);
303         data->bucket = which_bucket(data->next_timer_us, nr_iowaiters);
304
305         /*
306          * Force the result of multiplication to be 64 bits even if both
307          * operands are 32 bits.
308          * Make sure to round up for half microseconds.
309          */
310         data->predicted_us = DIV_ROUND_CLOSEST_ULL((uint64_t)data->next_timer_us *
311                                          data->correction_factor[data->bucket],
312                                          RESOLUTION * DECAY);
313
314         expected_interval = get_typical_interval(data);
315         expected_interval = min(expected_interval, data->next_timer_us);
316
317         if (CPUIDLE_DRIVER_STATE_START > 0) {
318                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START - 1;
319                 /*
320                  * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
321                  * unless the timer is happening really really soon, or
322                  * C1's exit latency exceeds the user configured limit.
323                  */
324                 if (expected_interval > drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].target_residency &&
325                     latency_req > drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].exit_latency &&
326                     !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
327                     !dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable)
328                         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
329         } else {
330                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
331         }
332
333         /*
334          * Use the lowest expected idle interval to pick the idle state.
335          */
336         data->predicted_us = min(data->predicted_us, expected_interval);
337
338         /*
339          * Use the performance multiplier and the user-configurable
340          * latency_req to determine the maximum exit latency.
341          */
342         interactivity_req = data->predicted_us / performance_multiplier(nr_iowaiters, cpu_load);
343         if (latency_req > interactivity_req)
344                 latency_req = interactivity_req;
345
346         /*
347          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
348          * our constraints.
349          */
350         for (i = data->last_state_idx + 1; i < drv->state_count; i++) {
351                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
352                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
353
354                 if (s->disabled || su->disable)
355                         continue;
356                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
357                         continue;
358                 if (s->exit_latency > latency_req)
359                         continue;
360
361                 data->last_state_idx = i;
362         }
363
364         return data->last_state_idx;
365 }
366
367 /**
368  * menu_reflect - records that data structures need update
369  * @dev: the CPU
370  * @index: the index of actual entered state
371  *
372  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
373  *       the overall exit latency.
374  */
375 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
376 {
377         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
378
379         data->last_state_idx = index;
380         data->needs_update = 1;
381 }
382
383 /**
384  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
385  * @drv: cpuidle driver containing state data
386  * @dev: the CPU
387  */
388 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
389 {
390         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
391         int last_idx = data->last_state_idx;
392         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
393         unsigned int measured_us;
394         unsigned int new_factor;
395
396         /*
397          * Try to figure out how much time passed between entry to low
398          * power state and occurrence of the wakeup event.
399          *
400          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
401          * we use them anyway if they are short, and if long,
402          * truncate to the whole expected time.
403          *
404          * Any measured amount of time will include the exit latency.
405          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
406          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
407          * the measured amount of time is less than the exit latency,
408          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
409          */
410
411         /* measured value */
412         measured_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
413
414         /* Deduct exit latency */
415         if (measured_us > 2 * target->exit_latency)
416                 measured_us -= target->exit_latency;
417         else
418                 measured_us /= 2;
419
420         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
421         if (measured_us > data->next_timer_us)
422                 measured_us = data->next_timer_us;
423
424         /* Update our correction ratio */
425         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
426         new_factor -= new_factor / DECAY;
427
428         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
429                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
430         else
431                 /*
432                  * we were idle so long that we count it as a perfect
433                  * prediction
434                  */
435                 new_factor += RESOLUTION;
436
437         /*
438          * We don't want 0 as factor; we always want at least
439          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
440          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
441          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
442          */
443         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
444                 new_factor = 1;
445
446         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
447
448         /* update the repeating-pattern data */
449         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
450         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
451                 data->interval_ptr = 0;
452 }
453
454 /**
455  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
456  * @drv: cpuidle driver
457  * @dev: the CPU
458  */
459 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
460                                 struct cpuidle_device *dev)
461 {
462         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
463         int i;
464
465         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
466
467         /*
468          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
469          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
470          */
471         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
472                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
473
474         return 0;
475 }
476
477 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
478         .name =         "menu",
479         .rating =       20,
480         .enable =       menu_enable_device,
481         .select =       menu_select,
482         .reflect =      menu_reflect,
483         .owner =        THIS_MODULE,
484 };
485
486 /**
487  * init_menu - initializes the governor
488  */
489 static int __init init_menu(void)
490 {
491         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
492 }
493
494 postcore_initcall(init_menu);