]> Pileus Git - ~andy/linux/blob - drivers/cpuidle/governors/menu.c
Merge tag 'v3.12-rc2' into patchwork
[~andy/linux] / 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 INTERVALS 8
35 #define RESOLUTION 1024
36 #define DECAY 8
37 #define MAX_INTERESTING 50000
38 #define STDDEV_THRESH 400
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    expected_us;
126         unsigned int    predicted_us;
127         unsigned int    exit_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 int get_loadavg(void)
139 {
140         unsigned long this = this_cpu_load();
141
142
143         return LOAD_INT(this) * 10 + LOAD_FRAC(this) / 10;
144 }
145
146 static inline int which_bucket(unsigned int duration)
147 {
148         int bucket = 0;
149
150         /*
151          * We keep two groups of stats; one with no
152          * IO pending, one without.
153          * This allows us to calculate
154          * E(duration)|iowait
155          */
156         if (nr_iowait_cpu(smp_processor_id()))
157                 bucket = BUCKETS/2;
158
159         if (duration < 10)
160                 return bucket;
161         if (duration < 100)
162                 return bucket + 1;
163         if (duration < 1000)
164                 return bucket + 2;
165         if (duration < 10000)
166                 return bucket + 3;
167         if (duration < 100000)
168                 return bucket + 4;
169         return bucket + 5;
170 }
171
172 /*
173  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
174  * to take performance requirements into account.
175  * The more performance critical we estimate the system
176  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
177  * the barrier to go to an expensive C state.
178  */
179 static inline int performance_multiplier(void)
180 {
181         int mult = 1;
182
183         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
184
185         mult += 2 * get_loadavg();
186
187         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
188         mult += 10 * nr_iowait_cpu(smp_processor_id());
189
190         return mult;
191 }
192
193 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
194
195 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
196
197 /* This implements DIV_ROUND_CLOSEST but avoids 64 bit division */
198 static u64 div_round64(u64 dividend, u32 divisor)
199 {
200         return div_u64(dividend + (divisor / 2), divisor);
201 }
202
203 /*
204  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
205  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
206  * of points is below a threshold. If it is... then use the
207  * average of these 8 points as the estimated value.
208  */
209 static void get_typical_interval(struct menu_device *data)
210 {
211         int i, divisor;
212         unsigned int max, thresh;
213         uint64_t avg, stddev;
214
215         thresh = UINT_MAX; /* Discard outliers above this value */
216
217 again:
218
219         /* First calculate the average of past intervals */
220         max = 0;
221         avg = 0;
222         divisor = 0;
223         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
224                 unsigned int value = data->intervals[i];
225                 if (value <= thresh) {
226                         avg += value;
227                         divisor++;
228                         if (value > max)
229                                 max = value;
230                 }
231         }
232         do_div(avg, divisor);
233
234         /* Then try to determine standard deviation */
235         stddev = 0;
236         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
237                 unsigned int value = data->intervals[i];
238                 if (value <= thresh) {
239                         int64_t diff = value - avg;
240                         stddev += diff * diff;
241                 }
242         }
243         do_div(stddev, divisor);
244         /*
245          * The typical interval is obtained when standard deviation is small
246          * or standard deviation is small compared to the average interval.
247          *
248          * int_sqrt() formal parameter type is unsigned long. When the
249          * greatest difference to an outlier exceeds ~65 ms * sqrt(divisor)
250          * the resulting squared standard deviation exceeds the input domain
251          * of int_sqrt on platforms where unsigned long is 32 bits in size.
252          * In such case reject the candidate average.
253          *
254          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
255          */
256         if (likely(stddev <= ULONG_MAX)) {
257                 stddev = int_sqrt(stddev);
258                 if (((avg > stddev * 6) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
259                                                         || stddev <= 20) {
260                         if (data->expected_us > avg)
261                                 data->predicted_us = avg;
262                         return;
263                 }
264         }
265
266         /*
267          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
268          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
269          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
270          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
271          *
272          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
273          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
274          */
275         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
276                 return;
277
278         thresh = max - 1;
279         goto again;
280 }
281
282 /**
283  * menu_select - selects the next idle state to enter
284  * @drv: cpuidle driver containing state data
285  * @dev: the CPU
286  */
287 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
288 {
289         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
290         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
291         int i;
292         int multiplier;
293         struct timespec t;
294
295         if (data->needs_update) {
296                 menu_update(drv, dev);
297                 data->needs_update = 0;
298         }
299
300         data->last_state_idx = 0;
301         data->exit_us = 0;
302
303         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
304         if (unlikely(latency_req == 0))
305                 return 0;
306
307         /* determine the expected residency time, round up */
308         t = ktime_to_timespec(tick_nohz_get_sleep_length());
309         data->expected_us =
310                 t.tv_sec * USEC_PER_SEC + t.tv_nsec / NSEC_PER_USEC;
311
312
313         data->bucket = which_bucket(data->expected_us);
314
315         multiplier = performance_multiplier();
316
317         /*
318          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
319          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
320          */
321         if (data->correction_factor[data->bucket] == 0)
322                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
323
324         /*
325          * Force the result of multiplication to be 64 bits even if both
326          * operands are 32 bits.
327          * Make sure to round up for half microseconds.
328          */
329         data->predicted_us = div_round64((uint64_t)data->expected_us *
330                                          data->correction_factor[data->bucket],
331                                          RESOLUTION * DECAY);
332
333         get_typical_interval(data);
334
335         /*
336          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
337          * unless the timer is happening really really soon.
338          */
339         if (data->expected_us > 5 &&
340             !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
341                 dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
342                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
343
344         /*
345          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
346          * our constraints.
347          */
348         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
349                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
350                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
351
352                 if (s->disabled || su->disable)
353                         continue;
354                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
355                         continue;
356                 if (s->exit_latency > latency_req)
357                         continue;
358                 if (s->exit_latency * multiplier > data->predicted_us)
359                         continue;
360
361                 data->last_state_idx = i;
362                 data->exit_us = s->exit_latency;
363         }
364
365         return data->last_state_idx;
366 }
367
368 /**
369  * menu_reflect - records that data structures need update
370  * @dev: the CPU
371  * @index: the index of actual entered state
372  *
373  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
374  *       the overall exit latency.
375  */
376 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
377 {
378         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
379         data->last_state_idx = index;
380         if (index >= 0)
381                 data->needs_update = 1;
382 }
383
384 /**
385  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
386  * @drv: cpuidle driver containing state data
387  * @dev: the CPU
388  */
389 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
390 {
391         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
392         int last_idx = data->last_state_idx;
393         unsigned int last_idle_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
394         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
395         unsigned int measured_us;
396         unsigned int new_factor;
397
398         /*
399          * Ugh, this idle state doesn't support residency measurements, so we
400          * are basically lost in the dark.  As a compromise, assume we slept
401          * for the whole expected time.
402          */
403         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID)))
404                 last_idle_us = data->expected_us;
405
406
407         measured_us = last_idle_us;
408
409         /*
410          * We correct for the exit latency; we are assuming here that the
411          * exit latency happens after the event that we're interested in.
412          */
413         if (measured_us > data->exit_us)
414                 measured_us -= data->exit_us;
415
416
417         /* Update our correction ratio */
418         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
419         new_factor -= new_factor / DECAY;
420
421         if (data->expected_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
422                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->expected_us;
423         else
424                 /*
425                  * we were idle so long that we count it as a perfect
426                  * prediction
427                  */
428                 new_factor += RESOLUTION;
429
430         /*
431          * We don't want 0 as factor; we always want at least
432          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
433          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
434          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
435          */
436         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
437                 new_factor = 1;
438
439         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
440
441         /* update the repeating-pattern data */
442         data->intervals[data->interval_ptr++] = last_idle_us;
443         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
444                 data->interval_ptr = 0;
445 }
446
447 /**
448  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
449  * @drv: cpuidle driver
450  * @dev: the CPU
451  */
452 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
453                                 struct cpuidle_device *dev)
454 {
455         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
456
457         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
458
459         return 0;
460 }
461
462 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
463         .name =         "menu",
464         .rating =       20,
465         .enable =       menu_enable_device,
466         .select =       menu_select,
467         .reflect =      menu_reflect,
468         .owner =        THIS_MODULE,
469 };
470
471 /**
472  * init_menu - initializes the governor
473  */
474 static int __init init_menu(void)
475 {
476         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
477 }
478
479 postcore_initcall(init_menu);