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