Merge tag 'trace-v6.10-rc6' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/trace...
[linux-2.6-block.git] / drivers / cpuidle / governors / menu.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * menu.c - the menu idle governor
4  *
5  * Copyright (C) 2006-2007 Adam Belay <abelay@novell.com>
6  * Copyright (C) 2009 Intel Corporation
7  * Author:
8  *        Arjan van de Ven <arjan@linux.intel.com>
9  */
10
11 #include <linux/kernel.h>
12 #include <linux/cpuidle.h>
13 #include <linux/time.h>
14 #include <linux/ktime.h>
15 #include <linux/hrtimer.h>
16 #include <linux/tick.h>
17 #include <linux/sched.h>
18 #include <linux/sched/loadavg.h>
19 #include <linux/sched/stat.h>
20 #include <linux/math64.h>
21
22 #include "gov.h"
23
24 #define BUCKETS 12
25 #define INTERVAL_SHIFT 3
26 #define INTERVALS (1UL << INTERVAL_SHIFT)
27 #define RESOLUTION 1024
28 #define DECAY 8
29 #define MAX_INTERESTING (50000 * NSEC_PER_USEC)
30
31 /*
32  * Concepts and ideas behind the menu governor
33  *
34  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
35  * state:
36  * 1) Energy break even point
37  * 2) Performance impact
38  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
39  * These three factors are treated independently.
40  *
41  * Energy break even point
42  * -----------------------
43  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
44  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
45  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
46  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
47  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
48  *
49  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
50  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
51  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
52  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
53  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
54  * be 0.5.
55  *
56  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
57  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
58  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
59  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
60  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
61  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
62  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
63  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
64  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
65  *
66  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
67  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
68  * "is IO outstanding" property.
69  *
70  * Repeatable-interval-detector
71  * ----------------------------
72  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
73  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
74  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
75  * mice.
76  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
77  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
78  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
79  *
80  * Limiting Performance Impact
81  * ---------------------------
82  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
83  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
84  * and in addition, less performance has a power price of its own.
85  *
86  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
87  * holds:
88  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
89  *
90  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
91  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
92  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
93  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
94  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
95  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
96  * C state.
97  *
98  * Two factors are used in determing this multiplier:
99  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
100  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
101  * IO on this CPU.
102  * (these values are experimentally determined)
103  *
104  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
105  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
106  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
107  * represented in the system load average.
108  *
109  */
110
111 struct menu_device {
112         int             needs_update;
113         int             tick_wakeup;
114
115         u64             next_timer_ns;
116         unsigned int    bucket;
117         unsigned int    correction_factor[BUCKETS];
118         unsigned int    intervals[INTERVALS];
119         int             interval_ptr;
120 };
121
122 static inline int which_bucket(u64 duration_ns, unsigned int nr_iowaiters)
123 {
124         int bucket = 0;
125
126         /*
127          * We keep two groups of stats; one with no
128          * IO pending, one without.
129          * This allows us to calculate
130          * E(duration)|iowait
131          */
132         if (nr_iowaiters)
133                 bucket = BUCKETS/2;
134
135         if (duration_ns < 10ULL * NSEC_PER_USEC)
136                 return bucket;
137         if (duration_ns < 100ULL * NSEC_PER_USEC)
138                 return bucket + 1;
139         if (duration_ns < 1000ULL * NSEC_PER_USEC)
140                 return bucket + 2;
141         if (duration_ns < 10000ULL * NSEC_PER_USEC)
142                 return bucket + 3;
143         if (duration_ns < 100000ULL * NSEC_PER_USEC)
144                 return bucket + 4;
145         return bucket + 5;
146 }
147
148 /*
149  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
150  * to take performance requirements into account.
151  * The more performance critical we estimate the system
152  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
153  * the barrier to go to an expensive C state.
154  */
155 static inline int performance_multiplier(unsigned int nr_iowaiters)
156 {
157         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 10x each */
158         return 1 + 10 * nr_iowaiters;
159 }
160
161 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
162
163 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
164
165 /*
166  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
167  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
168  * of points is below a threshold. If it is... then use the
169  * average of these 8 points as the estimated value.
170  */
171 static unsigned int get_typical_interval(struct menu_device *data)
172 {
173         int i, divisor;
174         unsigned int min, max, thresh, avg;
175         uint64_t sum, variance;
176
177         thresh = INT_MAX; /* Discard outliers above this value */
178
179 again:
180
181         /* First calculate the average of past intervals */
182         min = UINT_MAX;
183         max = 0;
184         sum = 0;
185         divisor = 0;
186         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
187                 unsigned int value = data->intervals[i];
188                 if (value <= thresh) {
189                         sum += value;
190                         divisor++;
191                         if (value > max)
192                                 max = value;
193
194                         if (value < min)
195                                 min = value;
196                 }
197         }
198
199         if (!max)
200                 return UINT_MAX;
201
202         if (divisor == INTERVALS)
203                 avg = sum >> INTERVAL_SHIFT;
204         else
205                 avg = div_u64(sum, divisor);
206
207         /* Then try to determine variance */
208         variance = 0;
209         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
210                 unsigned int value = data->intervals[i];
211                 if (value <= thresh) {
212                         int64_t diff = (int64_t)value - avg;
213                         variance += diff * diff;
214                 }
215         }
216         if (divisor == INTERVALS)
217                 variance >>= INTERVAL_SHIFT;
218         else
219                 do_div(variance, divisor);
220
221         /*
222          * The typical interval is obtained when standard deviation is
223          * small (stddev <= 20 us, variance <= 400 us^2) or standard
224          * deviation is small compared to the average interval (avg >
225          * 6*stddev, avg^2 > 36*variance). The average is smaller than
226          * UINT_MAX aka U32_MAX, so computing its square does not
227          * overflow a u64. We simply reject this candidate average if
228          * the standard deviation is greater than 715 s (which is
229          * rather unlikely).
230          *
231          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
232          */
233         if (likely(variance <= U64_MAX/36)) {
234                 if ((((u64)avg*avg > variance*36) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
235                                                         || variance <= 400) {
236                         return avg;
237                 }
238         }
239
240         /*
241          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
242          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
243          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
244          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
245          *
246          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
247          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
248          */
249         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
250                 return UINT_MAX;
251
252         thresh = max - 1;
253         goto again;
254 }
255
256 /**
257  * menu_select - selects the next idle state to enter
258  * @drv: cpuidle driver containing state data
259  * @dev: the CPU
260  * @stop_tick: indication on whether or not to stop the tick
261  */
262 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev,
263                        bool *stop_tick)
264 {
265         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
266         s64 latency_req = cpuidle_governor_latency_req(dev->cpu);
267         u64 predicted_ns;
268         u64 interactivity_req;
269         unsigned int nr_iowaiters;
270         ktime_t delta, delta_tick;
271         int i, idx;
272
273         if (data->needs_update) {
274                 menu_update(drv, dev);
275                 data->needs_update = 0;
276         }
277
278         nr_iowaiters = nr_iowait_cpu(dev->cpu);
279
280         /* Find the shortest expected idle interval. */
281         predicted_ns = get_typical_interval(data) * NSEC_PER_USEC;
282         if (predicted_ns > RESIDENCY_THRESHOLD_NS) {
283                 unsigned int timer_us;
284
285                 /* Determine the time till the closest timer. */
286                 delta = tick_nohz_get_sleep_length(&delta_tick);
287                 if (unlikely(delta < 0)) {
288                         delta = 0;
289                         delta_tick = 0;
290                 }
291
292                 data->next_timer_ns = delta;
293                 data->bucket = which_bucket(data->next_timer_ns, nr_iowaiters);
294
295                 /* Round up the result for half microseconds. */
296                 timer_us = div_u64((RESOLUTION * DECAY * NSEC_PER_USEC) / 2 +
297                                         data->next_timer_ns *
298                                                 data->correction_factor[data->bucket],
299                                    RESOLUTION * DECAY * NSEC_PER_USEC);
300                 /* Use the lowest expected idle interval to pick the idle state. */
301                 predicted_ns = min((u64)timer_us * NSEC_PER_USEC, predicted_ns);
302         } else {
303                 /*
304                  * Because the next timer event is not going to be determined
305                  * in this case, assume that without the tick the closest timer
306                  * will be in distant future and that the closest tick will occur
307                  * after 1/2 of the tick period.
308                  */
309                 data->next_timer_ns = KTIME_MAX;
310                 delta_tick = TICK_NSEC / 2;
311                 data->bucket = which_bucket(KTIME_MAX, nr_iowaiters);
312         }
313
314         if (unlikely(drv->state_count <= 1 || latency_req == 0) ||
315             ((data->next_timer_ns < drv->states[1].target_residency_ns ||
316               latency_req < drv->states[1].exit_latency_ns) &&
317              !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 if state[0] is a
321                  * polling one.
322                  */
323                 *stop_tick = !(drv->states[0].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING);
324                 return 0;
325         }
326
327         if (tick_nohz_tick_stopped()) {
328                 /*
329                  * If the tick is already stopped, the cost of possible short
330                  * idle duration misprediction is much higher, because the CPU
331                  * may be stuck in a shallow idle state for a long time as a
332                  * result of it.  In that case say we might mispredict and use
333                  * the known time till the closest timer event for the idle
334                  * state selection.
335                  */
336                 if (predicted_ns < TICK_NSEC)
337                         predicted_ns = data->next_timer_ns;
338         } else {
339                 /*
340                  * Use the performance multiplier and the user-configurable
341                  * latency_req to determine the maximum exit latency.
342                  */
343                 interactivity_req = div64_u64(predicted_ns,
344                                               performance_multiplier(nr_iowaiters));
345                 if (latency_req > interactivity_req)
346                         latency_req = interactivity_req;
347         }
348
349         /*
350          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
351          * our constraints.
352          */
353         idx = -1;
354         for (i = 0; i < drv->state_count; i++) {
355                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
356
357                 if (dev->states_usage[i].disable)
358                         continue;
359
360                 if (idx == -1)
361                         idx = i; /* first enabled state */
362
363                 if (s->target_residency_ns > predicted_ns) {
364                         /*
365                          * Use a physical idle state, not busy polling, unless
366                          * a timer is going to trigger soon enough.
367                          */
368                         if ((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
369                             s->exit_latency_ns <= latency_req &&
370                             s->target_residency_ns <= data->next_timer_ns) {
371                                 predicted_ns = s->target_residency_ns;
372                                 idx = i;
373                                 break;
374                         }
375                         if (predicted_ns < TICK_NSEC)
376                                 break;
377
378                         if (!tick_nohz_tick_stopped()) {
379                                 /*
380                                  * If the state selected so far is shallow,
381                                  * waking up early won't hurt, so retain the
382                                  * tick in that case and let the governor run
383                                  * again in the next iteration of the loop.
384                                  */
385                                 predicted_ns = drv->states[idx].target_residency_ns;
386                                 break;
387                         }
388
389                         /*
390                          * If the state selected so far is shallow and this
391                          * state's target residency matches the time till the
392                          * closest timer event, select this one to avoid getting
393                          * stuck in the shallow one for too long.
394                          */
395                         if (drv->states[idx].target_residency_ns < TICK_NSEC &&
396                             s->target_residency_ns <= delta_tick)
397                                 idx = i;
398
399                         return idx;
400                 }
401                 if (s->exit_latency_ns > latency_req)
402                         break;
403
404                 idx = i;
405         }
406
407         if (idx == -1)
408                 idx = 0; /* No states enabled. Must use 0. */
409
410         /*
411          * Don't stop the tick if the selected state is a polling one or if the
412          * expected idle duration is shorter than the tick period length.
413          */
414         if (((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) ||
415              predicted_ns < TICK_NSEC) && !tick_nohz_tick_stopped()) {
416                 *stop_tick = false;
417
418                 if (idx > 0 && drv->states[idx].target_residency_ns > delta_tick) {
419                         /*
420                          * The tick is not going to be stopped and the target
421                          * residency of the state to be returned is not within
422                          * the time until the next timer event including the
423                          * tick, so try to correct that.
424                          */
425                         for (i = idx - 1; i >= 0; i--) {
426                                 if (dev->states_usage[i].disable)
427                                         continue;
428
429                                 idx = i;
430                                 if (drv->states[i].target_residency_ns <= delta_tick)
431                                         break;
432                         }
433                 }
434         }
435
436         return idx;
437 }
438
439 /**
440  * menu_reflect - records that data structures need update
441  * @dev: the CPU
442  * @index: the index of actual entered state
443  *
444  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
445  *       the overall exit latency.
446  */
447 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
448 {
449         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
450
451         dev->last_state_idx = index;
452         data->needs_update = 1;
453         data->tick_wakeup = tick_nohz_idle_got_tick();
454 }
455
456 /**
457  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
458  * @drv: cpuidle driver containing state data
459  * @dev: the CPU
460  */
461 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
462 {
463         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
464         int last_idx = dev->last_state_idx;
465         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
466         u64 measured_ns;
467         unsigned int new_factor;
468
469         /*
470          * Try to figure out how much time passed between entry to low
471          * power state and occurrence of the wakeup event.
472          *
473          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
474          * we use them anyway if they are short, and if long,
475          * truncate to the whole expected time.
476          *
477          * Any measured amount of time will include the exit latency.
478          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
479          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
480          * the measured amount of time is less than the exit latency,
481          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
482          */
483
484         if (data->tick_wakeup && data->next_timer_ns > TICK_NSEC) {
485                 /*
486                  * The nohz code said that there wouldn't be any events within
487                  * the tick boundary (if the tick was stopped), but the idle
488                  * duration predictor had a differing opinion.  Since the CPU
489                  * was woken up by a tick (that wasn't stopped after all), the
490                  * predictor was not quite right, so assume that the CPU could
491                  * have been idle long (but not forever) to help the idle
492                  * duration predictor do a better job next time.
493                  */
494                 measured_ns = 9 * MAX_INTERESTING / 10;
495         } else if ((drv->states[last_idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
496                    dev->poll_time_limit) {
497                 /*
498                  * The CPU exited the "polling" state due to a time limit, so
499                  * the idle duration prediction leading to the selection of that
500                  * state was inaccurate.  If a better prediction had been made,
501                  * the CPU might have been woken up from idle by the next timer.
502                  * Assume that to be the case.
503                  */
504                 measured_ns = data->next_timer_ns;
505         } else {
506                 /* measured value */
507                 measured_ns = dev->last_residency_ns;
508
509                 /* Deduct exit latency */
510                 if (measured_ns > 2 * target->exit_latency_ns)
511                         measured_ns -= target->exit_latency_ns;
512                 else
513                         measured_ns /= 2;
514         }
515
516         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
517         if (measured_ns > data->next_timer_ns)
518                 measured_ns = data->next_timer_ns;
519
520         /* Update our correction ratio */
521         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
522         new_factor -= new_factor / DECAY;
523
524         if (data->next_timer_ns > 0 && measured_ns < MAX_INTERESTING)
525                 new_factor += div64_u64(RESOLUTION * measured_ns,
526                                         data->next_timer_ns);
527         else
528                 /*
529                  * we were idle so long that we count it as a perfect
530                  * prediction
531                  */
532                 new_factor += RESOLUTION;
533
534         /*
535          * We don't want 0 as factor; we always want at least
536          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
537          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
538          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
539          */
540         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
541                 new_factor = 1;
542
543         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
544
545         /* update the repeating-pattern data */
546         data->intervals[data->interval_ptr++] = ktime_to_us(measured_ns);
547         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
548                 data->interval_ptr = 0;
549 }
550
551 /**
552  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
553  * @drv: cpuidle driver
554  * @dev: the CPU
555  */
556 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
557                                 struct cpuidle_device *dev)
558 {
559         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
560         int i;
561
562         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
563
564         /*
565          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
566          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
567          */
568         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
569                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
570
571         return 0;
572 }
573
574 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
575         .name =         "menu",
576         .rating =       20,
577         .enable =       menu_enable_device,
578         .select =       menu_select,
579         .reflect =      menu_reflect,
580 };
581
582 /**
583  * init_menu - initializes the governor
584  */
585 static int __init init_menu(void)
586 {
587         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
588 }
589
590 postcore_initcall(init_menu);