【原创】Linux cpuidle framework

背景

• Read the fucking source code! --By 鲁迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64处理器
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 介绍

在Linux OS中，Idle进程的运行会让CPU进入cpuidle状态。当没有其他进程处于运行状态时，Scheduler会选择Idle进程来运行，此时CPU无所事事。

在ARM64架构中，当CPU Idle时，会调用WFI指令(wait for interrupt)，关掉CPU的Clock以便降低功耗，当有外设中断触发时，CPU又会恢复回来。

cpuidle framework就是用来向上给Scheduler/Sysfs提供使用接口，向下用来对接不同架构的处理器，凡是框架基本都大同小异，屏蔽硬件层并抽象使用接口。

相信你已经猜到了，cpuidle和电源管理相关。

2. 框架

代码路径：
driver/cpuidle/cpuidle.c
driver/cpuidle/driver.c
driver/cpuidle/governor.c
driver/cpuidle/sysfs.c
kernel/shced/idle.c

老规矩，上图：

简单说明一下吧：调度器发现没有Task处在运行状态时，切换到Idle进程，此时通过cpuidle_idle_call接口调到cpuidle framework，cpuidle framework会选择合适的策略来决定进入哪种状态，最终回调到底层的平台实现。

SMP处理器都有cpuidle状态，而各个状态下的功耗都不同，是否进入cpuidle状态有两个重要的参考因素：

• CPU进入-退出cpuidle状态的latency；
• CPU处在cpuidle状态的功耗；

Latency和功耗的tradeoff，是需要根据实际情况来选择策略的，也就是Governor的作用。

3. 数据结构

cpuidle core抽象出了三个数据结构：

• cpuidle device：用于描述CPU核；
• cpuidle driver： 针对CPU核的驱动；
• cpuidle governor：主要根据cpuidle的device和driver状态来选择策略；

图如下：

3.1 cpuidle device

针对每个CPU核都对应一个struct cpuidle_device结构，主要字段介绍如下：

• registered：该cpu核是否注册进内核中；
• enabled：该cpu核是否已经使能；
• cpu：对应的cpu number；
• last_residency：该cpu核上一次停留在cpuidle状态的时间（us）；
• state_count：cpuidle状态的个数；
• states_usage：struct cpuidle_state_usage数组，记录每个cpuidle状态的统计信息，包括是否使能、进入该cpuidle状态的次数，停留在该cpuidle状态的总时间（us）；
• kobjs*：与sysfs组织相关，开发给用户层来操作底层；
• device_list：全局链表，链接到cpuidle_detected_device上；

3.2 cpuidle driver

cpuidle driver用于驱动一个或多个CPU核，关键字段描述如下：

• bctimer：用于驱动注册时判断是否需要设置broadcast timer；
• states[]：struct cpuidle_state数组，用于描述cpuidle的状态，需要按照功耗从大到小来排序，具体有多少个cpuidle状态，取决于device Tree中的定义，默认已经有state[0]，如上图所示。
• cpumask：用于表明支持哪些CPU核；

struct cpuidle_state中的enter函数，是最终进入cpuidle状态的函数。不同处理器的cpuidle驱动实现，主要是填充state结构体。

3.3 cpuidle governor

governor结构主要提供不同的回调函数，最终由menu_governor填充，主要字段如下：

• enable/disable：在设备驱动注册和注销的时候调用；
• select：根据已有状态来选择一个cpuidle状态；
• reflect：调用该接口告知governor，CPU上一次所处的cpuidle状态是哪个；

流程

以cpuidle-arm.c为例，整个注册流程如下图：

注册之后便将设备和驱动建立起连接关系了，最终cpuidle framework的用户便可通过接口来调用下层的接口，进而完成具体的硬件操作。

Idle Task通过cpuidle_enter为入口，调用到cpuidle_framework，流程如下图：

Idle Task调用cpuidle_enter之前，需要先通过governor来运用策略来选择将要进入的cpuidle state。入口为cpuidle_select，当完成状态切换后会调用cpuidle_reflect来将信息更新到governor。具体的图如下：

其中Governor关于状态的策略选择，可以参考menu.c的注释，主要有三个决定因素：

1. 功耗平衡点，也就是需要权衡考虑cpuidle状态带来的功耗节省和在该cpuidle状态下的停留时间，假如停留时间太短（小于target_residency），则不划算。
2. 性能影响，那些具有大的延迟退出（exit_latency）的cpuidle state，通常会对工作负载产生较大影响，这个对系统管理员来说是不可接受的。此外，低性能往往也意味着低功耗。
3. 延迟容忍度（从pmqos框架获取），在满足延迟容忍度latency_req的条件下，选择功耗最小的cpuidle状态。

具体的策略不再分析，请直接看driver/cpuilde/menu.c代码及注释。