kernel/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 void get_typical_interval(struct menu_device *data)
 200 {
 201         int i, divisor;
 202         unsigned int max, thresh;
 203         uint64_t avg, stddev;
 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         avg = 0;
 212         divisor = 0;
 213         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
 214                 unsigned int value = data->intervals[i];
 215                 if (value <= thresh) {
 216                         avg += value;
 217                         divisor++;
 218                         if (value > max)
 219                                 max = value;
 220                 }
 221         }
 222         if (divisor == INTERVALS)
 223                 avg >>= INTERVAL_SHIFT;
 224         else
 225                 do_div(avg, divisor);
 226
 227         /* Then try to determine standard deviation */
 228         stddev = 0;
 229         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
 230                 unsigned int value = data->intervals[i];
 231                 if (value <= thresh) {
 232                         int64_t diff = value - avg;
 233                         stddev += diff * diff;
 234                 }
 235         }
 236         if (divisor == INTERVALS)
 237                 stddev >>= INTERVAL_SHIFT;
 238         else
 239                 do_div(stddev, divisor);
 240
 241         /*
 242          * The typical interval is obtained when standard deviation is small
 243          * or standard deviation is small compared to the average interval.
 244          *
 245          * int_sqrt() formal parameter type is unsigned long. When the
 246          * greatest difference to an outlier exceeds ~65 ms * sqrt(divisor)
 247          * the resulting squared standard deviation exceeds the input domain
 248          * of int_sqrt on platforms where unsigned long is 32 bits in size.
 249          * In such case reject the candidate average.
 250          *
 251          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
 252          */
 253         if (likely(stddev <= ULONG_MAX)) {
 254                 stddev = int_sqrt(stddev);
 255                 if (((avg > stddev * 6) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
 256                                                         || stddev <= 20) {
 257                         if (data->next_timer_us > avg)
 258                                 data->predicted_us = avg;
 259                         return;
 260                 }
 261         }
 262
 263         /*
 264          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
 265          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
 266          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
 267          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
 268          *
 269          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
 270          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
 271          */
 272         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
 273                 return;
 274
 275         thresh = max - 1;
 276         goto again;
 277 }
 278
 279 /**
 280  * menu_select - selects the next idle state to enter
 281  * @drv: cpuidle driver containing state data
 282  * @dev: the CPU
 283  */
 284 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
 285 {
 286         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 287         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
 288         int i;
 289         unsigned int interactivity_req;
 290         unsigned long nr_iowaiters, cpu_load;
 291
 292         if (data->needs_update) {
 293                 menu_update(drv, dev);
 294                 data->needs_update = 0;
 295         }
 296
 297         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START - 1;
 298
 299         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
 300         if (unlikely(latency_req == 0))
 301                 return 0;
 302
 303         /* determine the expected residency time, round up */
 304         data->next_timer_us = ktime_to_us(tick_nohz_get_sleep_length());
 305
 306         get_iowait_load(&nr_iowaiters, &cpu_load);
 307         data->bucket = which_bucket(data->next_timer_us, nr_iowaiters);
 308
 309         /*
 310          * Force the result of multiplication to be 64 bits even if both
 311          * operands are 32 bits.
 312          * Make sure to round up for half microseconds.
 313          */
 314         data->predicted_us = DIV_ROUND_CLOSEST_ULL((uint64_t)data->next_timer_us *
 315                                          data->correction_factor[data->bucket],
 316                                          RESOLUTION * DECAY);
 317
 318         get_typical_interval(data);
 319
 320         /*
 321          * Performance multiplier defines a minimum predicted idle
 322          * duration / latency ratio. Adjust the latency limit if
 323          * necessary.
 324          */
 325         interactivity_req = data->predicted_us / performance_multiplier(nr_iowaiters, cpu_load);
 326         if (latency_req > interactivity_req)
 327                 latency_req = interactivity_req;
 328
 329         /*
 330          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
 331          * unless the timer is happening really really soon.
 332          */
 333         if (data->next_timer_us > 5 &&
 334             !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
 335                 dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
 336                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 337
 338         /*
 339          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
 340          * our constraints.
 341          */
 342         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
 343                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
 344                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
 345
 346                 if (s->disabled || su->disable)
 347                         continue;
 348                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
 349                         continue;
 350                 if (s->exit_latency > latency_req)
 351                         continue;
 352
 353                 data->last_state_idx = i;
 354         }
 355
 356         return data->last_state_idx;
 357 }
 358
 359 /**
 360  * menu_reflect - records that data structures need update
 361  * @dev: the CPU
 362  * @index: the index of actual entered state
 363  *
 364  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
 365  *       the overall exit latency.
 366  */
 367 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
 368 {
 369         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 370         data->last_state_idx = index;
 371         if (index >= 0)
 372                 data->needs_update = 1;
 373 }
 374
 375 /**
 376  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
 377  * @drv: cpuidle driver containing state data
 378  * @dev: the CPU
 379  */
 380 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
 381 {
 382         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 383         int last_idx = data->last_state_idx;
 384         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
 385         unsigned int measured_us;
 386         unsigned int new_factor;
 387
 388         /*
 389          * Try to figure out how much time passed between entry to low
 390          * power state and occurrence of the wakeup event.
 391          *
 392          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
 393          * we use them anyway if they are short, and if long,
 394          * truncate to the whole expected time.
 395          *
 396          * Any measured amount of time will include the exit latency.
 397          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
 398          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
 399          * the measured amount of time is less than the exit latency,
 400          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
 401          */
 402
 403         /* measured value */
 404         measured_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
 405
 406         /* Deduct exit latency */
 407         if (measured_us > target->exit_latency)
 408                 measured_us -= target->exit_latency;
 409
 410         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
 411         if (measured_us > data->next_timer_us)
 412                 measured_us = data->next_timer_us;
 413
 414         /* Update our correction ratio */
 415         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
 416         new_factor -= new_factor / DECAY;
 417
 418         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
 419                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
 420         else
 421                 /*
 422                  * we were idle so long that we count it as a perfect
 423                  * prediction
 424                  */
 425                 new_factor += RESOLUTION;
 426
 427         /*
 428          * We don't want 0 as factor; we always want at least
 429          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
 430          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
 431          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
 432          */
 433         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
 434                 new_factor = 1;
 435
 436         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
 437
 438         /* update the repeating-pattern data */
 439         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
 440         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
 441                 data->interval_ptr = 0;
 442 }
 443
 444 /**
 445  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
 446  * @drv: cpuidle driver
 447  * @dev: the CPU
 448  */
 449 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
 450                                 struct cpuidle_device *dev)
 451 {
 452         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
 453         int i;
 454
 455         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
 456
 457         /*
 458          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
 459          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
 460          */
 461         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
 462                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
 463
 464         return 0;
 465 }
 466
 467 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
 468         .name =         "menu",
 469         .rating =       20,
 470         .enable =       menu_enable_device,
 471         .select =       menu_select,
 472         .reflect =      menu_reflect,
 473         .owner =        THIS_MODULE,
 474 };
 475
 476 /**
 477  * init_menu - initializes the governor
 478  */
 479 static int __init init_menu(void)
 480 {
 481         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
 482 }
 483
 484 postcore_initcall(init_menu);