電源管理入門-CPU Idle有什么用？Idle狀態(tài)判斷

1. CPU Idle有什么用？

答案就是“省電”，當(dāng)多核CPU沒有任務(wù)執(zhí)行的時候，這時候需要將除主Core之外的其他Core進(jìn)行低功耗處理，這件事就是CPU Idle機(jī)制做的。

idle狀態(tài): 在Linux kernel中，當(dāng)cpu中沒有任務(wù)在執(zhí)行，也沒有任何中斷、異常信號過來的時候，我們稱為處于idle狀態(tài)，針對這種狀態(tài)Linux設(shè)計了一套cpuidle framework框架，專門用于cpuidle的管理。

Linux系統(tǒng)初始化時會為每個cpu創(chuàng)建一個idle線程，當(dāng)沒有其他進(jìn)程需要運行的時候，便運行idle線程。

對于不同的功耗及恢復(fù)時間的要求，可以根據(jù)芯片硬件支持的情況定義多種idle狀態(tài)，這些狀態(tài)按功耗從低到高（對應(yīng)著恢復(fù)時間從少到多）排列，利用linux提供的cpuidle框架，用戶選用不同的idle策略。這么做的目的就是盡可能在不影響性能的前提下，減少功耗。

在ARM64架構(gòu)中，至少會提供一個wfi的idle狀態(tài)，有些芯片可能還會提供core下電的idle狀態(tài)。當(dāng)CPU idle時，根據(jù)預(yù)測的idle時間、功耗受益大小、恢復(fù)的時間長短，選用一個idle狀態(tài)，比如進(jìn)入wfi，關(guān)掉CPU的arch timer以便降低功耗，當(dāng)有中斷觸發(fā)時，CPU又會恢復(fù)回來。

2. CPU Idle整體框架

首先是CPUIdle子系統(tǒng)通過sysfs向userspace提供的節(jié)點：

一類是針對整個系統(tǒng)的/sys/devices/system/cpu/cpuidle，通過其中的current_driver、current_governor、available_governors等節(jié)點可以獲取或設(shè)置CPUIdle的驅(qū)動信息以及governor。

一類是針對每個CPU的/sys/devices/system/cpu/cpux/cpuidle，通過子節(jié)點暴露各個在線的CPU中每個不同Idle級別的name、desc、power、latency等信息。

什么時候進(jìn)入idle？

關(guān)閉一些核可以節(jié)省功耗，但關(guān)閉之后對時延(性能)必會造成一定的影響，如果在關(guān)閉之后很短的時間內(nèi)就被喚醒，那么就會造成功耗/性能雙方都不討好，在進(jìn)入退出idle的過程中也是會有功耗的損失的，如果在idle狀態(tài)下面節(jié)省的功耗還無法彌補(bǔ)進(jìn)入退出該idle的功耗，那么反而會得不償失。

--解決方法就是：策略。是由cpuidle framework會根據(jù)不同的場景來進(jìn)行仲裁選擇使用何種的idle狀態(tài)。

在kernel中cpuidle framework主體包含三個模塊，分別為cpuidle core、cpuidle governors和cpuidle drivers，

cpu idle core：負(fù)責(zé)整體框架，同時負(fù)責(zé)和sched模塊對接，當(dāng)調(diào)度器發(fā)現(xiàn)沒有任務(wù)在執(zhí)行時候，就切換到idle進(jìn)程，通知到cpuidle framework的cpuidle core模塊要做接下來的idle操作。向cpuidle driver/governors模塊提供統(tǒng)一的driver和governors注冊和管理接口，向用戶空間程序提供governor選擇的接口。

cpuidle driver：負(fù)責(zé)具體idle機(jī)制的實現(xiàn)（不同等級下面idle的指標(biāo)也是在這個模塊進(jìn)行填充），不同的平臺會有不同的drivers實現(xiàn)。

cpudile governors：在這個模塊進(jìn)行cpuidle的選擇，選擇的算法主要是基于切換的功耗代價和系統(tǒng)的延遲容忍度，電源管理的目標(biāo)就是在保證延遲在系統(tǒng)可以接受的范圍內(nèi)盡可能的節(jié)省功耗。

3. Idle狀態(tài)判斷

在Linux系統(tǒng)啟動的時候，會在每個cpu上創(chuàng)建對應(yīng)的idle進(jìn)程，start_kernel()函數(shù)初始化內(nèi)核需要的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建一個名為init的進(jìn)程（pid=1），當(dāng)init進(jìn)程創(chuàng)建完后，cpu的idle進(jìn)程處于cpu_idle_loop()無限循環(huán)中，當(dāng)沒有其他進(jìn)程處于TASK_RUNNING狀態(tài)時候，調(diào)度器才會執(zhí)行cpu idle線程，讓cpu進(jìn)入idle模式.其函數(shù)調(diào)用關(guān)系簡要概括如下：

start_kernel –> rest_init –> cpu_startup_entry， 在cpu_startup_entry這個函數(shù)中，最終程序會進(jìn)入無限循環(huán)do_idle loop中。

這里我們又進(jìn)入看代碼環(huán)節(jié)，可以參考公眾號之前的文章# Linux驅(qū)動-IMX6ULL開發(fā)板qemu環(huán)境搭建，我們修改好qemu啟動腳本加-s -S后，在VS中打斷點，進(jìn)行代碼查看。

cpu_idle_loop（）函數(shù)中會不斷的進(jìn)行輪詢判斷

while (1) {
    ...
    if (cpu_is_offline(cpu)) {
            cpuhp_report_idle_dead();
            arch_cpu_idle_dead();
    }

    local_irq_disable();
    arch_cpu_idle_enter();
    ...
}

3. cpuidle core

cpuidle core抽象出了三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

cpuidle device：用于描述CPU核的cpuidle設(shè)備。

cpuidle driver：用于描述CPU核的cpuidle驅(qū)動。

cpuidle governor：主要根據(jù)cpuidle的device和driver狀態(tài)來選擇策略。

以cpuidle-pcsi.c為例，整個cpuidle注冊流程如下圖：

4. 注冊初始化

cpuidle初始化包括governor注冊、驅(qū)動注冊和設(shè)備注冊三部分

4.1 cpuidle governor注冊

cpuidle governor在cpuidle驅(qū)動和設(shè)備之前注冊，內(nèi)核使用一個鏈表維護(hù)系統(tǒng)中所有已注冊的governor。當(dāng)前新版內(nèi)核一共支持ladder、menu、teo和haltpoll四種governor，它們都通過調(diào)用cpuidle_register_governor函數(shù)將自身注冊到系統(tǒng)中。

Haltpoll governor：它是用于優(yōu)化虛擬機(jī)性能的一種cpuidle governor。其原理為當(dāng)vcpu進(jìn)入idle時，通過guest端執(zhí)行poll操作，以避免使其陷入host中。它的優(yōu)點是減少了vm切換和通過ipi喚醒vcpu的成本，但它也造成在guest睡眠時，host無法復(fù)用該vcpu對應(yīng)的物理cpu，從而降低系統(tǒng)吞吐量的問題。

Ladder governor：該governor通過cpu前一次idle狀態(tài)的駐留時間是否超過該state延遲時間一個特定的值（promotion_time_ns），以及下一個state的延遲時間是否超過系統(tǒng)延遲容忍度，來確定是否需要提升idle state。由于該governor每次只能提升一個state，因此其state提升方式就像梯子一樣逐級往上，這也是它的名字由來。它往往用于periodic timer tick system。

Menu governor：直接選擇可能滿足需求的最深休眠態(tài)，就好像你拿著菜單（menu）選菜一樣。如果深度的idle state更好，那么就會直接進(jìn)入到深度的idle state。

Teo governor：采用的策略跟menu governor一樣，都是預(yù)測接下來會有多長時間能待在idle狀態(tài)，然后據(jù)此選擇合適的idle mode。不過它跟menu governor考慮多方因素的策略是不同的。teo的理念是，多數(shù)系統(tǒng)上CPU喚醒最頻繁的喚醒源都是timer events，而不是設(shè)備中斷(device interrupts)。timer中斷的數(shù)量要比其他中斷高幾個數(shù)量級。所以只要依據(jù)timer event就可以做好預(yù)測工作了。

4.2 cpuidle driver注冊

cpuidle驅(qū)動注冊流程比較簡單，它主要包含以下三部分內(nèi)容

idle state相關(guān)參數(shù)設(shè)置、以及可能的broadcast timer

若設(shè)置了local-timer-stop屬性，則為每個cpu設(shè)置相應(yīng)的broadcast timer

若為該driver指定了governor，則切換current governor

cpuidle driver的主要工作是定義所支持的cpuidle state，以及state的enter接口，如下面所示，cpudile driver就要負(fù)責(zé)將平臺定義的idle-state信息填充到這個結(jié)構(gòu)體中

4.3 cpuidle device注冊

cpuidle設(shè)備注冊主要包括初始化一些參數(shù)值，將該設(shè)備添加到全局設(shè)備鏈表中，然后為其初始化sysfs屬性和使能該設(shè)備。

注冊之后，cpuidle設(shè)備、cpuidle驅(qū)動及governor之間建立起了連接，最終系統(tǒng)經(jīng)由cpuidle framework，通過接口來調(diào)用下層的接口，進(jìn)而完成具體的硬件操作。

在現(xiàn)在的SMP系統(tǒng)中，每個cpu core都會有一個對應(yīng)的cpuidle device，內(nèi)核是通過使用struct cpuidle_device抽象cpuidle device,該結(jié)構(gòu)體主要成員含義如下：

lenabled：設(shè)備是否已經(jīng)使能 lcpu:該device對應(yīng)的cpu number llast_residency:該設(shè)備上一次停留在idle狀態(tài)的時間 lstates_usage:記錄了該設(shè)備的每個idle state的統(tǒng)計信息

5.cpuidle觸發(fā)流程

Idle task通過cpu_startup_entry為入口，調(diào)用到cpuidle_framework，流程如下圖：

cpu啟動完成時，會通過cpu_startup_entry函數(shù)將其自身切換到idle線程。除此之外，當(dāng)某個cpu上沒有可運行線程時，也會切換idle線程（上流程沒畫出，后面梳理進(jìn)程調(diào)度的時候再細(xì)講）。切換idle線程后，最終都會執(zhí)行idle線程的主函數(shù)do_idle，并最終通過該函數(shù)將cpu設(shè)置為特定的idle state。

其中g(shù)overnor中的select、reflect函數(shù)是cpuidle的核心功能，決定了cpuidle狀態(tài)的選擇策略。

審核編輯：劉清