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