cpuidle解決什么問題

在計算機系統中,CPU的功能就是不斷地取指、譯碼、執行,那如果CPU沒有程序要執行,CPU不需要執行計算任務,也不需要響應外部中斷事件,CPU要怎么辦?在Linux kernel中,這種CPU的無所事事的狀態,被稱作idle狀態,而cpuidle framework,就是為了管理這種狀態。

CPU在idle的時候可以利用一些芯片技術比如clock gating、retention,讓core進入睡眠省電模式,省電是又電子設備繞不開的話題。

cpuidle基本流程

任務調度、idle進程(何時進入idle)

idle進程的存在,是為了解決“何時idle”的問題。
在init進程(系統的第一個進程)完成初始化任務之后,將其轉變為idle進程,由于該進程的優先級是最低的,所以當idle進程被調度到時,則說明系統的其它進程不再運行了,也即CPU idle了。最終,由idle進程調用idle指令(這里為WFI),讓CPU進入idle狀態。

WFI、WFE(如何idle)

WFI/WFE用于解決“怎么idle”的問題。
一般情況下,ARM CPU idle時,可以使用WFI指令,把CPU置為Wait for interrupt狀態。該狀態下,至少會把ARM core的clock關閉,以節省功耗(和具體ARM core的實現有關,可參考“ARM WFI和WFE指令”)。

軟件流程

在SMP系統中,CPU啟動的過程是:

1)先啟動主CPU,啟動過程和傳統的單核系統類似:stext-->start_kernel-->rest_init-->cpu_startup_entry
2)啟動其它CPU,可以有多種方式,例如CPU hotplug等,啟動過程為:secondary_startup-->__secondary_switched-->secondary_start_kernel-->cpu_startup_entry

上面的代碼位于./arch/arm64/kernel/head.S、init/main.c等等,感興趣的讀者可以自行參考。最終都會殊途同歸,運行至cpu_startup_entry接口,該接口位于kernel/sched/idle.c中,負責處理CPU idle的事情。

cpuidle框架

cpuide framework的意義是什么?
ARM CPU的設計越來越復雜,對省電的要求也越來越苛刻,因而很多CPU會從“退出時的延遲”和“idle狀態下的功耗”兩個方面考慮,設計多種idle級別。對延遲較敏感的場合,可以使用低延遲、高功耗的idle;對延遲不敏感的場合,可以使用高延遲、低功耗的idle。

而軟件則需要根據應用場景,在恰當的時候,選擇一個合適的idle狀態。而選擇的策略是什么,就不是那么簡單了。這就是cpuidle framework的存在意義。

kernel schedule模塊

位于kernel\sched\idle.c中,負責實現idle線程的通用入口(cpuidle entry)邏輯,包括idle模式的選擇、idle的進入等等。

core層

cpuidle core的代碼主要包括:cpuidle.c、driver.c、governor.c、sysfs.c。

cpuidle core負責實現cpuidle framework的整體框架,主要功能包括:

1. 根據cpuidle的應用場景,抽象出cpuidle device、cpuidle driver、cpuidle governor三個實體;
2. 以函數調用的形式,向上層sched模塊提供接口;
3. 以sysfs的形式,向用戶空間提供接口;
4. 向下層的cpuidle drivers模塊,提供統一的driver注冊和管理接口;
5. 向下層的governors模塊,提供統一的governor注冊和管理接口。

governor層

前面講過,很多CPU提供了多種idle級別,這些idle級別的主要區別是“idle時的功耗”和“退出時延遲”。cpuidle driver(機制)負責定義這些idle狀態(每一個狀態的功耗和延遲分別是多少),并實現進入和退出相關的操作。最終,cpuidle driver會把這些信息告訴governor,由governor根據具體的應用場景,決定要選用哪種idle狀態(策略)。

kernel中,cpuidle governor都位于governors/目錄下。

driver層

負責idle機制的實現,即:如何進入idle狀態,什么條件下會退出,等等。

不同的architecture、不同的CPU core,會有不同的cpuidle driver,平臺驅動的開發者,可以在cpuidle core提供的框架之下,開發自己的cpuidle driver。代碼主要包括:cpuidle-xxx.c。

cpuid參考

• 概述
  http://www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_overview.html

• core層
  http://www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_core.html

• governor層
  http://www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_menu_governor.html

• driver層
  http://www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_arm64.html

cpuidle宏配置

cpuidle的宏配置比較簡單,框架層和sysfs都默認編譯了,只需要配置對應的驅動宏。

cpuidle調測命令

#ls /sys/devices/system/cpu/cpuidle/cpuX/cpuidle/stateY  name,名稱;  desc,較為詳細的描述;  disable,cpuidle使能狀態的讀取和設置;  latency,退出該state所需的時間,單位為us;  power,該state下的功耗,單位為mW;  time,停留在改狀態的總時間,單位為us  usage,進入該狀態的次數。

# 進出次數cat /sys/devices/system/cpu/cpu<x>/cpuidle/state<y>/usage# 總時間cat /sys/devices/system/cpu/cpu<x>/cpuidle/state<y>/time