sched: loadavg: consolidate LOAD_INT, LOAD_FRAC, CALC_LOAD
[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/time.h>
16 #include <linux/ktime.h>
17 #include <linux/hrtimer.h>
18 #include <linux/tick.h>
19 #include <linux/sched.h>
20 #include <linux/sched/loadavg.h>
21 #include <linux/sched/stat.h>
22 #include <linux/math64.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         int             tick_wakeup;
125
126         unsigned int    next_timer_us;
127         unsigned int    bucket;
128         unsigned int    correction_factor[BUCKETS];
129         unsigned int    intervals[INTERVALS];
130         int             interval_ptr;
131 };
132
133 static inline int get_loadavg(unsigned long load)
134 {
135         return LOAD_INT(load) * 10 + LOAD_FRAC(load) / 10;
136 }
137
138 static inline int which_bucket(unsigned int duration, unsigned long nr_iowaiters)
139 {
140         int bucket = 0;
141
142         /*
143          * We keep two groups of stats; one with no
144          * IO pending, one without.
145          * This allows us to calculate
146          * E(duration)|iowait
147          */
148         if (nr_iowaiters)
149                 bucket = BUCKETS/2;
150
151         if (duration < 10)
152                 return bucket;
153         if (duration < 100)
154                 return bucket + 1;
155         if (duration < 1000)
156                 return bucket + 2;
157         if (duration < 10000)
158                 return bucket + 3;
159         if (duration < 100000)
160                 return bucket + 4;
161         return bucket + 5;
162 }
163
164 /*
165  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
166  * to take performance requirements into account.
167  * The more performance critical we estimate the system
168  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
169  * the barrier to go to an expensive C state.
170  */
171 static inline int performance_multiplier(unsigned long nr_iowaiters, unsigned long load)
172 {
173         int mult = 1;
174
175         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
176
177         mult += 2 * get_loadavg(load);
178
179         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
180         mult += 10 * nr_iowaiters;
181
182         return mult;
183 }
184
185 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
186
187 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
188
189 /*
190  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
191  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
192  * of points is below a threshold. If it is... then use the
193  * average of these 8 points as the estimated value.
194  */
195 static unsigned int get_typical_interval(struct menu_device *data,
196                                          unsigned int predicted_us)
197 {
198         int i, divisor;
199         unsigned int min, max, thresh, avg;
200         uint64_t sum, variance;
201
202         thresh = UINT_MAX; /* Discard outliers above this value */
203
204 again:
205
206         /* First calculate the average of past intervals */
207         min = UINT_MAX;
208         max = 0;
209         sum = 0;
210         divisor = 0;
211         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
212                 unsigned int value = data->intervals[i];
213                 if (value <= thresh) {
214                         sum += value;
215                         divisor++;
216                         if (value > max)
217                                 max = value;
218
219                         if (value < min)
220                                 min = value;
221                 }
222         }
223
224         /*
225          * If the result of the computation is going to be discarded anyway,
226          * avoid the computation altogether.
227          */
228         if (min >= predicted_us)
229                 return UINT_MAX;
230
231         if (divisor == INTERVALS)
232                 avg = sum >> INTERVAL_SHIFT;
233         else
234                 avg = div_u64(sum, divisor);
235
236         /* Then try to determine variance */
237         variance = 0;
238         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
239                 unsigned int value = data->intervals[i];
240                 if (value <= thresh) {
241                         int64_t diff = (int64_t)value - avg;
242                         variance += diff * diff;
243                 }
244         }
245         if (divisor == INTERVALS)
246                 variance >>= INTERVAL_SHIFT;
247         else
248                 do_div(variance, divisor);
249
250         /*
251          * The typical interval is obtained when standard deviation is
252          * small (stddev <= 20 us, variance <= 400 us^2) or standard
253          * deviation is small compared to the average interval (avg >
254          * 6*stddev, avg^2 > 36*variance). The average is smaller than
255          * UINT_MAX aka U32_MAX, so computing its square does not
256          * overflow a u64. We simply reject this candidate average if
257          * the standard deviation is greater than 715 s (which is
258          * rather unlikely).
259          *
260          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
261          */
262         if (likely(variance <= U64_MAX/36)) {
263                 if ((((u64)avg*avg > variance*36) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
264                                                         || variance <= 400) {
265                         return avg;
266                 }
267         }
268
269         /*
270          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
271          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
272          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
273          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
274          *
275          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
276          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
277          */
278         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
279                 return UINT_MAX;
280
281         thresh = max - 1;
282         goto again;
283 }
284
285 /**
286  * menu_select - selects the next idle state to enter
287  * @drv: cpuidle driver containing state data
288  * @dev: the CPU
289  * @stop_tick: indication on whether or not to stop the tick
290  */
291 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev,
292                        bool *stop_tick)
293 {
294         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
295         int latency_req = cpuidle_governor_latency_req(dev->cpu);
296         int i;
297         int idx;
298         unsigned int interactivity_req;
299         unsigned int predicted_us;
300         unsigned long nr_iowaiters, cpu_load;
301         ktime_t delta_next;
302
303         if (data->needs_update) {
304                 menu_update(drv, dev);
305                 data->needs_update = 0;
306         }
307
308         /* determine the expected residency time, round up */
309         data->next_timer_us = ktime_to_us(tick_nohz_get_sleep_length(&delta_next));
310
311         get_iowait_load(&nr_iowaiters, &cpu_load);
312         data->bucket = which_bucket(data->next_timer_us, nr_iowaiters);
313
314         if (unlikely(drv->state_count <= 1 || latency_req == 0) ||
315             ((data->next_timer_us < drv->states[1].target_residency ||
316               latency_req < drv->states[1].exit_latency) &&
317              !drv->states[0].disabled && !dev->states_usage[0].disable)) {
318                 /*
319                  * In this case state[0] will be used no matter what, so return
320                  * it right away and keep the tick running.
321                  */
322                 *stop_tick = false;
323                 return 0;
324         }
325
326         /*
327          * Force the result of multiplication to be 64 bits even if both
328          * operands are 32 bits.
329          * Make sure to round up for half microseconds.
330          */
331         predicted_us = DIV_ROUND_CLOSEST_ULL((uint64_t)data->next_timer_us *
332                                          data->correction_factor[data->bucket],
333                                          RESOLUTION * DECAY);
334         /*
335          * Use the lowest expected idle interval to pick the idle state.
336          */
337         predicted_us = min(predicted_us, get_typical_interval(data, predicted_us));
338
339         if (tick_nohz_tick_stopped()) {
340                 /*
341                  * If the tick is already stopped, the cost of possible short
342                  * idle duration misprediction is much higher, because the CPU
343                  * may be stuck in a shallow idle state for a long time as a
344                  * result of it.  In that case say we might mispredict and use
345                  * the known time till the closest timer event for the idle
346                  * state selection.
347                  */
348                 if (predicted_us < TICK_USEC)
349                         predicted_us = ktime_to_us(delta_next);
350         } else {
351                 /*
352                  * Use the performance multiplier and the user-configurable
353                  * latency_req to determine the maximum exit latency.
354                  */
355                 interactivity_req = predicted_us / performance_multiplier(nr_iowaiters, cpu_load);
356                 if (latency_req > interactivity_req)
357                         latency_req = interactivity_req;
358         }
359
360         /*
361          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
362          * our constraints.
363          */
364         idx = -1;
365         for (i = 0; i < drv->state_count; i++) {
366                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
367                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
368
369                 if (s->disabled || su->disable)
370                         continue;
371
372                 if (idx == -1)
373                         idx = i; /* first enabled state */
374
375                 if (s->target_residency > predicted_us) {
376                         /*
377                          * Use a physical idle state, not busy polling, unless
378                          * a timer is going to trigger soon enough.
379                          */
380                         if ((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
381                             s->exit_latency <= latency_req &&
382                             s->target_residency <= data->next_timer_us) {
383                                 predicted_us = s->target_residency;
384                                 idx = i;
385                                 break;
386                         }
387                         if (predicted_us < TICK_USEC)
388                                 break;
389
390                         if (!tick_nohz_tick_stopped()) {
391                                 /*
392                                  * If the state selected so far is shallow,
393                                  * waking up early won't hurt, so retain the
394                                  * tick in that case and let the governor run
395                                  * again in the next iteration of the loop.
396                                  */
397                                 predicted_us = drv->states[idx].target_residency;
398                                 break;
399                         }
400
401                         /*
402                          * If the state selected so far is shallow and this
403                          * state's target residency matches the time till the
404                          * closest timer event, select this one to avoid getting
405                          * stuck in the shallow one for too long.
406                          */
407                         if (drv->states[idx].target_residency < TICK_USEC &&
408                             s->target_residency <= ktime_to_us(delta_next))
409                                 idx = i;
410
411                         return idx;
412                 }
413                 if (s->exit_latency > latency_req) {
414                         /*
415                          * If we break out of the loop for latency reasons, use
416                          * the target residency of the selected state as the
417                          * expected idle duration so that the tick is retained
418                          * as long as that target residency is low enough.
419                          */
420                         predicted_us = drv->states[idx].target_residency;
421                         break;
422                 }
423                 idx = i;
424         }
425
426         if (idx == -1)
427                 idx = 0; /* No states enabled. Must use 0. */
428
429         /*
430          * Don't stop the tick if the selected state is a polling one or if the
431          * expected idle duration is shorter than the tick period length.
432          */
433         if (((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) ||
434              predicted_us < TICK_USEC) && !tick_nohz_tick_stopped()) {
435                 unsigned int delta_next_us = ktime_to_us(delta_next);
436
437                 *stop_tick = false;
438
439                 if (idx > 0 && drv->states[idx].target_residency > delta_next_us) {
440                         /*
441                          * The tick is not going to be stopped and the target
442                          * residency of the state to be returned is not within
443                          * the time until the next timer event including the
444                          * tick, so try to correct that.
445                          */
446                         for (i = idx - 1; i >= 0; i--) {
447                                 if (drv->states[i].disabled ||
448                                     dev->states_usage[i].disable)
449                                         continue;
450
451                                 idx = i;
452                                 if (drv->states[i].target_residency <= delta_next_us)
453                                         break;
454                         }
455                 }
456         }
457
458         return idx;
459 }
460
461 /**
462  * menu_reflect - records that data structures need update
463  * @dev: the CPU
464  * @index: the index of actual entered state
465  *
466  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
467  *       the overall exit latency.
468  */
469 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
470 {
471         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
472
473         data->last_state_idx = index;
474         data->needs_update = 1;
475         data->tick_wakeup = tick_nohz_idle_got_tick();
476 }
477
478 /**
479  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
480  * @drv: cpuidle driver containing state data
481  * @dev: the CPU
482  */
483 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
484 {
485         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
486         int last_idx = data->last_state_idx;
487         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
488         unsigned int measured_us;
489         unsigned int new_factor;
490
491         /*
492          * Try to figure out how much time passed between entry to low
493          * power state and occurrence of the wakeup event.
494          *
495          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
496          * we use them anyway if they are short, and if long,
497          * truncate to the whole expected time.
498          *
499          * Any measured amount of time will include the exit latency.
500          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
501          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
502          * the measured amount of time is less than the exit latency,
503          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
504          */
505
506         if (data->tick_wakeup && data->next_timer_us > TICK_USEC) {
507                 /*
508                  * The nohz code said that there wouldn't be any events within
509                  * the tick boundary (if the tick was stopped), but the idle
510                  * duration predictor had a differing opinion.  Since the CPU
511                  * was woken up by a tick (that wasn't stopped after all), the
512                  * predictor was not quite right, so assume that the CPU could
513                  * have been idle long (but not forever) to help the idle
514                  * duration predictor do a better job next time.
515                  */
516                 measured_us = 9 * MAX_INTERESTING / 10;
517         } else if ((drv->states[last_idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
518                    dev->poll_time_limit) {
519                 /*
520                  * The CPU exited the "polling" state due to a time limit, so
521                  * the idle duration prediction leading to the selection of that
522                  * state was inaccurate.  If a better prediction had been made,
523                  * the CPU might have been woken up from idle by the next timer.
524                  * Assume that to be the case.
525                  */
526                 measured_us = data->next_timer_us;
527         } else {
528                 /* measured value */
529                 measured_us = dev->last_residency;
530
531                 /* Deduct exit latency */
532                 if (measured_us > 2 * target->exit_latency)
533                         measured_us -= target->exit_latency;
534                 else
535                         measured_us /= 2;
536         }
537
538         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
539         if (measured_us > data->next_timer_us)
540                 measured_us = data->next_timer_us;
541
542         /* Update our correction ratio */
543         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
544         new_factor -= new_factor / DECAY;
545
546         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
547                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
548         else
549                 /*
550                  * we were idle so long that we count it as a perfect
551                  * prediction
552                  */
553                 new_factor += RESOLUTION;
554
555         /*
556          * We don't want 0 as factor; we always want at least
557          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
558          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
559          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
560          */
561         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
562                 new_factor = 1;
563
564         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
565
566         /* update the repeating-pattern data */
567         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
568         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
569                 data->interval_ptr = 0;
570 }
571
572 /**
573  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
574  * @drv: cpuidle driver
575  * @dev: the CPU
576  */
577 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
578                                 struct cpuidle_device *dev)
579 {
580         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
581         int i;
582
583         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
584
585         /*
586          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
587          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
588          */
589         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
590                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
591
592         return 0;
593 }
594
595 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
596         .name =         "menu",
597         .rating =       20,
598         .enable =       menu_enable_device,
599         .select =       menu_select,
600         .reflect =      menu_reflect,
601 };
602
603 /**
604  * init_menu - initializes the governor
605  */
606 static int __init init_menu(void)
607 {
608         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
609 }
610
611 postcore_initcall(init_menu);