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                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START];
 319                 unsigned int polling_threshold;
 320
 321                 /*
 322                  * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
 323                  * unless the timer is happening really really soon, or
 324                  * C1's exit latency exceeds the user configured limit.
 325                  */
 326                 polling_threshold = max_t(unsigned int, 20, s->target_residency);
 327                 if (data->next_timer_us > polling_threshold &&
 328                     latency_req > s->exit_latency && !s->disabled &&
 329                     !dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable)
 330                         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 331                 else
 332                         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START - 1;
 333         } else {
 334                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
 335         }
 336
 337         /*
 338          * Use the lowest expected idle interval to pick the idle state.
 339          */
 340         data->predicted_us = min(data->predicted_us, expected_interval);
 341
 342         /*
 343          * Use the performance multiplier and the user-configurable
 344          * latency_req to determine the maximum exit latency.
 345          */
 346         interactivity_req = data->predicted_us / performance_multiplier(nr_iowaiters, cpu_load);
 347         if (latency_req > interactivity_req)
 348                 latency_req = interactivity_req;
 349
 350         /*
 351          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
 352          * our constraints.
 353          */
 354         for (i = data->last_state_idx + 1; i < drv->state_count; i++) {
 355                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
 356                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
 357
 358                 if (s->disabled || su->disable)
 359                         continue;
 360                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
 361                         continue;
 362                 if (s->exit_latency > latency_req)
 363                         continue;
 364
 365                 data->last_state_idx = i;
 366         }
 367
 368         return data->last_state_idx;
 369 }
 370
 371 /**
 372  * menu_reflect - records that data structures need update
 373  * @dev: the CPU
 374  * @index: the index of actual entered state
 375  *
 376  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
 377  *       the overall exit latency.
 378  */
 379 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
 380 {
 381         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 382
 383         data->last_state_idx = index;
 384         data->needs_update = 1;
 385 }
 386
 387 /**
 388  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
 389  * @drv: cpuidle driver containing state data
 390  * @dev: the CPU
 391  */
 392 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
 393 {
 394         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 395         int last_idx = data->last_state_idx;
 396         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
 397         unsigned int measured_us;
 398         unsigned int new_factor;
 399
 400         /*
 401          * Try to figure out how much time passed between entry to low
 402          * power state and occurrence of the wakeup event.
 403          *
 404          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
 405          * we use them anyway if they are short, and if long,
 406          * truncate to the whole expected time.
 407          *
 408          * Any measured amount of time will include the exit latency.
 409          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
 410          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
 411          * the measured amount of time is less than the exit latency,
 412          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
 413          */
 414
 415         /* measured value */
 416         measured_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
 417
 418         /* Deduct exit latency */
 419         if (measured_us > 2 * target->exit_latency)
 420                 measured_us -= target->exit_latency;
 421         else
 422                 measured_us /= 2;
 423
 424         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
 425         if (measured_us > data->next_timer_us)
 426                 measured_us = data->next_timer_us;
 427
 428         /* Update our correction ratio */
 429         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
 430         new_factor -= new_factor / DECAY;
 431
 432         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
 433                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
 434         else
 435                 /*
 436                  * we were idle so long that we count it as a perfect
 437                  * prediction
 438                  */
 439                 new_factor += RESOLUTION;
 440
 441         /*
 442          * We don't want 0 as factor; we always want at least
 443          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
 444          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
 445          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
 446          */
 447         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
 448                 new_factor = 1;
 449
 450         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
 451
 452         /* update the repeating-pattern data */
 453         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
 454         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
 455                 data->interval_ptr = 0;
 456 }
 457
 458 /**
 459  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
 460  * @drv: cpuidle driver
 461  * @dev: the CPU
 462  */
 463 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
 464                                 struct cpuidle_device *dev)
 465 {
 466         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
 467         int i;
 468
 469         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
 470
 471         /*
 472          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
 473          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
 474          */
 475         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
 476                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
 477
 478         return 0;
 479 }
 480
 481 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
 482         .name =         "menu",
 483         .rating =       20,
 484         .enable =       menu_enable_device,
 485         .select =       menu_select,
 486         .reflect =      menu_reflect,
 487         .owner =        THIS_MODULE,
 488 };
 489
 490 /**
 491  * init_menu - initializes the governor
 492  */
 493 static int __init init_menu(void)
 494 {
 495         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
 496 }
 497
 498 postcore_initcall(init_menu);