Quelle  menu.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
/*
 * menu.c - the menu idle governor
 *
 * Copyright (C) 2006-2007 Adam Belay <abelay@novell.com>
 * Copyright (C) 2009 Intel Corporation
 * Author:
 *        Arjan van de Ven <arjan@linux.intel.com>
 */

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/cpuidle.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/ktime.h>
#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/tick.h>
#include <linux/sched/stat.h>
#include <linux/math64.h>

#include "gov.h"

#define BUCKETS 6
#define INTERVAL_SHIFT 3
#define INTERVALS (1UL << INTERVAL_SHIFT)
#define RESOLUTION 1024
#define DECAY 8
#define MAX_INTERESTING (50000 * NSEC_PER_USEC)

/*
 * Concepts and ideas behind the menu governor
 *
 * For the menu governor, there are 2 decision factors for picking a C
 * state:
 * 1) Energy break even point
 * 2) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
 * These two factors are treated independently.
 *
 * Energy break even point
 * -----------------------
 * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
 * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
 * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
 * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
 * menu governor, we take the actual known "next timer event" time.
 *
 * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
 * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
 * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
 * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
 * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
 * be 0.5.
 *
 * menu uses a running average for this correction factor, but it uses a set of
 * factors, not just a single factor. This stems from the realization that the
 * ratio is dependent on the order of magnitude of the expected duration; if we
 * expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of getting an interrupt
 * very early is much higher than if we expect 50 micro seconds of idle time.
 * For this reason, menu keeps an array of 6 independent factors, that gets
 * indexed based on the magnitude of the expected duration.
 *
 * Repeatable-interval-detector
 * ----------------------------
 * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
 * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
 * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices like mice.
 * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
 * intervals and use them to estimate the duration of the next one.
 */

struct menu_device {
 int             needs_update;
 int             tick_wakeup;

 u64  next_timer_ns;
 unsigned int bucket;
 unsigned int correction_factor[BUCKETS];
 unsigned int intervals[INTERVALS];
 int  interval_ptr;
};

static inline int which_bucket(u64 duration_ns)
{
 int bucket = 0;

 if (duration_ns < 10ULL * NSEC_PER_USEC)
  return bucket;
 if (duration_ns < 100ULL * NSEC_PER_USEC)
  return bucket + 1;
 if (duration_ns < 1000ULL * NSEC_PER_USEC)
  return bucket + 2;
 if (duration_ns < 10000ULL * NSEC_PER_USEC)
  return bucket + 3;
 if (duration_ns < 100000ULL * NSEC_PER_USEC)
  return bucket + 4;
 return bucket + 5;
}

static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);

static void menu_update_intervals(struct menu_device *data, unsigned int interval_us)
{
 /* Update the repeating-pattern data. */
 data->intervals[data->interval_ptr++] = interval_us;
 if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
  data->interval_ptr = 0;
}

static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);

/*
 * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
 * intervals, and checking if the standard deviation of that set
 * of points is below a threshold. If it is... then use the
 * average of these 8 points as the estimated value.
 */
static unsigned int get_typical_interval(struct menu_device *data)
{
 s64 value, min_thresh = -1, max_thresh = UINT_MAX;
 unsigned int max, min, divisor;
 u64 avg, variance, avg_sq;
 int i;

again:
 /* Compute the average and variance of past intervals. */
 max = 0;
 min = UINT_MAX;
 avg = 0;
 variance = 0;
 divisor = 0;
 for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
  value = data->intervals[i];
  /*
 * Discard the samples outside the interval between the min and
 * max thresholds.
 */
  if (value <= min_thresh || value >= max_thresh)
   continue;

  divisor++;

  avg += value;
  variance += value * value;

  if (value > max)
   max = value;

  if (value < min)
   min = value;
 }

 if (!max)
  return UINT_MAX;

 if (divisor == INTERVALS) {
  avg >>= INTERVAL_SHIFT;
  variance >>= INTERVAL_SHIFT;
 } else {
  do_div(avg, divisor);
  do_div(variance, divisor);
 }

 avg_sq = avg * avg;
 variance -= avg_sq;

 /*
 * The typical interval is obtained when standard deviation is
 * small (stddev <= 20 us, variance <= 400 us^2) or standard
 * deviation is small compared to the average interval (avg >
 * 6*stddev, avg^2 > 36*variance). The average is smaller than
 * UINT_MAX aka U32_MAX, so computing its square does not
 * overflow a u64. We simply reject this candidate average if
 * the standard deviation is greater than 715 s (which is
 * rather unlikely).
 *
 * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
 */
 if (likely(variance <= U64_MAX/36)) {
  if ((avg_sq > variance * 36 && divisor * 4 >= INTERVALS * 3) ||
      variance <= 400)
   return avg;
 }

 /*
 * If there are outliers, discard them by setting thresholds to exclude
 * data points at a large enough distance from the average, then
 * calculate the average and standard deviation again. Once we get
 * down to the last 3/4 of our samples, stop excluding samples.
 *
 * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
 * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
 *
 * However, if the number of remaining samples is too small to exclude
 * any more outliers, allow the deepest available idle state to be
 * selected because there are systems where the time spent by CPUs in
 * deep idle states is correlated to the maximum frequency the CPUs
 * can get to.  On those systems, shallow idle states should be avoided
 * unless there is a clear indication that the given CPU is most likley
 * going to be woken up shortly.
 */
 if (divisor * 4 <= INTERVALS * 3)
  return UINT_MAX;

 /* Update the thresholds for the next round. */
 if (avg - min > max - avg)
  min_thresh = min;
 else
  max_thresh = max;

 goto again;
}

/**
 * menu_select - selects the next idle state to enter
 * @drv: cpuidle driver containing state data
 * @dev: the CPU
 * @stop_tick: indication on whether or not to stop the tick
 */
static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev,
         bool *stop_tick)
{
 struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 s64 latency_req = cpuidle_governor_latency_req(dev->cpu);
 u64 predicted_ns;
 ktime_t delta, delta_tick;
 int i, idx;

 if (data->needs_update) {
  menu_update(drv, dev);
  data->needs_update = 0;
 } else if (!dev->last_residency_ns) {
  /*
 * This happens when the driver rejects the previously selected
 * idle state and returns an error, so update the recent
 * intervals table to prevent invalid information from being
 * used going forward.
 */
  menu_update_intervals(data, UINT_MAX);
 }

 /* Find the shortest expected idle interval. */
 predicted_ns = get_typical_interval(data) * NSEC_PER_USEC;
 if (predicted_ns > RESIDENCY_THRESHOLD_NS) {
  unsigned int timer_us;

  /* Determine the time till the closest timer. */
  delta = tick_nohz_get_sleep_length(&delta_tick);
  if (unlikely(delta < 0)) {
   delta = 0;
   delta_tick = 0;
  }

  data->next_timer_ns = delta;
  data->bucket = which_bucket(data->next_timer_ns);

  /* Round up the result for half microseconds. */
  timer_us = div_u64((RESOLUTION * DECAY * NSEC_PER_USEC) / 2 +
     data->next_timer_ns *
      data->correction_factor[data->bucket],
       RESOLUTION * DECAY * NSEC_PER_USEC);
  /* Use the lowest expected idle interval to pick the idle state. */
  predicted_ns = min((u64)timer_us * NSEC_PER_USEC, predicted_ns);
 } else {
  /*
 * Because the next timer event is not going to be determined
 * in this case, assume that without the tick the closest timer
 * will be in distant future and that the closest tick will occur
 * after 1/2 of the tick period.
 */
  data->next_timer_ns = KTIME_MAX;
  delta_tick = TICK_NSEC / 2;
  data->bucket = BUCKETS - 1;
 }

 if (unlikely(drv->state_count <= 1 || latency_req == 0) ||
     ((data->next_timer_ns < drv->states[1].target_residency_ns ||
       latency_req < drv->states[1].exit_latency_ns) &&
      !dev->states_usage[0].disable)) {
  /*
 * In this case state[0] will be used no matter what, so return
 * it right away and keep the tick running if state[0] is a
 * polling one.
 */
  *stop_tick = !(drv->states[0].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING);
  return 0;
 }

 /*
 * If the tick is already stopped, the cost of possible short idle
 * duration misprediction is much higher, because the CPU may be stuck
 * in a shallow idle state for a long time as a result of it.  In that
 * case, say we might mispredict and use the known time till the closest
 * timer event for the idle state selection.
 */
 if (tick_nohz_tick_stopped() && predicted_ns < TICK_NSEC)
  predicted_ns = data->next_timer_ns;

 /*
 * Find the idle state with the lowest power while satisfying
 * our constraints.
 */
 idx = -1;
 for (i = 0; i < drv->state_count; i++) {
  struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];

  if (dev->states_usage[i].disable)
   continue;

  if (idx == -1)
   idx = i; /* first enabled state */

  if (s->exit_latency_ns > latency_req)
   break;

  if (s->target_residency_ns <= predicted_ns) {
   idx = i;
   continue;
  }

  /*
 * Use a physical idle state, not busy polling, unless a timer
 * is going to trigger soon enough or the exit latency of the
 * idle state in question is greater than the predicted idle
 * duration.
 */
  if ((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
      s->target_residency_ns <= data->next_timer_ns &&
      s->exit_latency_ns <= predicted_ns) {
   predicted_ns = s->target_residency_ns;
   idx = i;
   break;
  }

  if (predicted_ns < TICK_NSEC)
   break;

  if (!tick_nohz_tick_stopped()) {
   /*
 * If the state selected so far is shallow, waking up
 * early won't hurt, so retain the tick in that case and
 * let the governor run again in the next iteration of
 * the idle loop.
 */
   predicted_ns = drv->states[idx].target_residency_ns;
   break;
  }

  /*
 * If the state selected so far is shallow and this state's
 * target residency matches the time till the closest timer
 * event, select this one to avoid getting stuck in the shallow
 * one for too long.
 */
  if (drv->states[idx].target_residency_ns < TICK_NSEC &&
      s->target_residency_ns <= delta_tick)
   idx = i;

  return idx;
 }

 if (idx == -1)
  idx = 0; /* No states enabled. Must use 0. */

 /*
 * Don't stop the tick if the selected state is a polling one or if the
 * expected idle duration is shorter than the tick period length.
 */
 if (((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) ||
      predicted_ns < TICK_NSEC) && !tick_nohz_tick_stopped()) {
  *stop_tick = false;

  if (idx > 0 && drv->states[idx].target_residency_ns > delta_tick) {
   /*
 * The tick is not going to be stopped and the target
 * residency of the state to be returned is not within
 * the time until the next timer event including the
 * tick, so try to correct that.
 */
   for (i = idx - 1; i >= 0; i--) {
    if (dev->states_usage[i].disable)
     continue;

    idx = i;
    if (drv->states[i].target_residency_ns <= delta_tick)
     break;
   }
  }
 }

 return idx;
}

/**
 * menu_reflect - records that data structures need update
 * @dev: the CPU
 * @index: the index of actual entered state
 *
 * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
 *       the overall exit latency.
 */
static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
{
 struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);

 dev->last_state_idx = index;
 data->needs_update = 1;
 data->tick_wakeup = tick_nohz_idle_got_tick();
}

/**
 * menu_update - attempts to guess what happened after entry
 * @drv: cpuidle driver containing state data
 * @dev: the CPU
 */
static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
{
 struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
 int last_idx = dev->last_state_idx;
 struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
 u64 measured_ns;
 unsigned int new_factor;

 /*
 * Try to figure out how much time passed between entry to low
 * power state and occurrence of the wakeup event.
 *
 * If the entered idle state didn't support residency measurements,
 * we use them anyway if they are short, and if long,
 * truncate to the whole expected time.
 *
 * Any measured amount of time will include the exit latency.
 * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
 * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
 * the measured amount of time is less than the exit latency,
 * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
 */

 if (data->tick_wakeup && data->next_timer_ns > TICK_NSEC) {
  /*
 * The nohz code said that there wouldn't be any events within
 * the tick boundary (if the tick was stopped), but the idle
 * duration predictor had a differing opinion.  Since the CPU
 * was woken up by a tick (that wasn't stopped after all), the
 * predictor was not quite right, so assume that the CPU could
 * have been idle long (but not forever) to help the idle
 * duration predictor do a better job next time.
 */
  measured_ns = 9 * MAX_INTERESTING / 10;
 } else if ((drv->states[last_idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
     dev->poll_time_limit) {
  /*
 * The CPU exited the "polling" state due to a time limit, so
 * the idle duration prediction leading to the selection of that
 * state was inaccurate.  If a better prediction had been made,
 * the CPU might have been woken up from idle by the next timer.
 * Assume that to be the case.
 */
  measured_ns = data->next_timer_ns;
 } else {
  /* measured value */
  measured_ns = dev->last_residency_ns;

  /* Deduct exit latency */
  if (measured_ns > 2 * target->exit_latency_ns)
   measured_ns -= target->exit_latency_ns;
  else
   measured_ns /= 2;
 }

 /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
 if (measured_ns > data->next_timer_ns)
  measured_ns = data->next_timer_ns;

 /* Update our correction ratio */
 new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
 new_factor -= new_factor / DECAY;

 if (data->next_timer_ns > 0 && measured_ns < MAX_INTERESTING)
  new_factor += div64_u64(RESOLUTION * measured_ns,
     data->next_timer_ns);
 else
  /*
 * we were idle so long that we count it as a perfect
 * prediction
 */
  new_factor += RESOLUTION;

 /*
 * We don't want 0 as factor; we always want at least
 * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
 * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
 * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
 */
 if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
  new_factor = 1;

 data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;

 menu_update_intervals(data, ktime_to_us(measured_ns));
}

/**
 * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
 * @drv: cpuidle driver
 * @dev: the CPU
 */
static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
    struct cpuidle_device *dev)
{
 struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
 int i;

 memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));

 /*
 * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
 * etc), we actually want to start out with a unity factor.
 */
 for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
  data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;

 return 0;
}

static struct cpuidle_governor menu_governor = {
 .name =  "menu",
 .rating = 20,
 .enable = menu_enable_device,
 .select = menu_select,
 .reflect = menu_reflect,
};

/**
 * init_menu - initializes the governor
 */
static int __init init_menu(void)
{
 return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
}

postcore_initcall(init_menu);