f1fadbecfa1bd9fcc433bf26b666bca2519be351
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / 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 #define BUCKETS 12
25 #define INTERVALS 8
26 #define RESOLUTION 1024
27 #define DECAY 8
28 #define MAX_INTERESTING 50000
29 #define STDDEV_THRESH 400
30
31
32 /*
33  * Concepts and ideas behind the menu governor
34  *
35  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
36  * state:
37  * 1) Energy break even point
38  * 2) Performance impact
39  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
40  * These these three factors are treated independently.
41  *
42  * Energy break even point
43  * -----------------------
44  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
45  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
46  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
47  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
48  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
49  *
50  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
51  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
52  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
53  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
54  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
55  * be 0.5.
56  *
57  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
58  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
59  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
60  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
61  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
62  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
63  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
64  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
65  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
66  *
67  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
68  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
69  * "is IO outstanding" property.
70  *
71  * Repeatable-interval-detector
72  * ----------------------------
73  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
74  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
75  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
76  * mice.
77  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
78  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
79  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
80  *
81  * Limiting Performance Impact
82  * ---------------------------
83  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
84  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
85  * and in addition, less performance has a power price of its own.
86  *
87  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
88  * holds:
89  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
90  *
91  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
92  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
93  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
94  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
95  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
96  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
97  * C state.
98  *
99  * Two factors are used in determing this multiplier:
100  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
101  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
102  * IO on this CPU.
103  * (these values are experimentally determined)
104  *
105  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
106  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
107  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
108  * represented in the system load average.
109  *
110  */
111
112 struct menu_device {
113         int             last_state_idx;
114         int             needs_update;
115
116         unsigned int    expected_us;
117         u64             predicted_us;
118         unsigned int    exit_us;
119         unsigned int    bucket;
120         u64             correction_factor[BUCKETS];
121         u32             intervals[INTERVALS];
122         int             interval_ptr;
123 };
124
125
126 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
127 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
128
129 static int get_loadavg(void)
130 {
131         unsigned long this = this_cpu_load();
132
133
134         return LOAD_INT(this) * 10 + LOAD_FRAC(this) / 10;
135 }
136
137 static inline int which_bucket(unsigned int duration)
138 {
139         int bucket = 0;
140
141         /*
142          * We keep two groups of stats; one with no
143          * IO pending, one without.
144          * This allows us to calculate
145          * E(duration)|iowait
146          */
147         if (nr_iowait_cpu(smp_processor_id()))
148                 bucket = BUCKETS/2;
149
150         if (duration < 10)
151                 return bucket;
152         if (duration < 100)
153                 return bucket + 1;
154         if (duration < 1000)
155                 return bucket + 2;
156         if (duration < 10000)
157                 return bucket + 3;
158         if (duration < 100000)
159                 return bucket + 4;
160         return bucket + 5;
161 }
162
163 /*
164  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
165  * to take performance requirements into account.
166  * The more performance critical we estimate the system
167  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
168  * the barrier to go to an expensive C state.
169  */
170 static inline int performance_multiplier(void)
171 {
172         int mult = 1;
173
174         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
175
176         mult += 2 * get_loadavg();
177
178         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
179         mult += 10 * nr_iowait_cpu(smp_processor_id());
180
181         return mult;
182 }
183
184 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
185
186 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
187
188 /* This implements DIV_ROUND_CLOSEST but avoids 64 bit division */
189 static u64 div_round64(u64 dividend, u32 divisor)
190 {
191         return div_u64(dividend + (divisor / 2), divisor);
192 }
193
194 /*
195  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
196  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
197  * of points is below a threshold. If it is... then use the
198  * average of these 8 points as the estimated value.
199  */
200 static void get_typical_interval(struct menu_device *data)
201 {
202         int i = 0, divisor = 0;
203         uint64_t max = 0, avg = 0, stddev = 0;
204         int64_t thresh = LLONG_MAX; /* Discard outliers above this value. */
205
206 again:
207
208         /* first calculate average and standard deviation of the past */
209         max = avg = divisor = stddev = 0;
210         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
211                 int64_t value = data->intervals[i];
212                 if (value <= thresh) {
213                         avg += value;
214                         divisor++;
215                         if (value > max)
216                                 max = value;
217                 }
218         }
219         do_div(avg, divisor);
220
221         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
222                 int64_t value = data->intervals[i];
223                 if (value <= thresh) {
224                         int64_t diff = value - avg;
225                         stddev += diff * diff;
226                 }
227         }
228         do_div(stddev, divisor);
229         stddev = int_sqrt(stddev);
230         /*
231          * The typical interval is obtained when standard deviation is small
232          * or standard deviation is small compared to the average interval.
233          *
234          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
235          */
236         if (((avg > stddev * 6) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
237                                                         || stddev <= 20) {
238                 if (data->expected_us > avg)
239                         data->predicted_us = avg;
240                 return;
241         }
242
243         /*
244          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
245          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
246          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
247          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
248          *
249          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
250          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
251          */
252         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
253                 return;
254
255         thresh = max - 1;
256         goto again;
257 }
258
259 /**
260  * menu_select - selects the next idle state to enter
261  * @drv: cpuidle driver containing state data
262  * @dev: the CPU
263  */
264 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
265 {
266         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
267         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
268         int i;
269         int multiplier;
270         struct timespec t;
271
272         if (data->needs_update) {
273                 menu_update(drv, dev);
274                 data->needs_update = 0;
275         }
276
277         data->last_state_idx = 0;
278         data->exit_us = 0;
279
280         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
281         if (unlikely(latency_req == 0))
282                 return 0;
283
284         /* determine the expected residency time, round up */
285         t = ktime_to_timespec(tick_nohz_get_sleep_length());
286         data->expected_us =
287                 t.tv_sec * USEC_PER_SEC + t.tv_nsec / NSEC_PER_USEC;
288
289
290         data->bucket = which_bucket(data->expected_us);
291
292         multiplier = performance_multiplier();
293
294         /*
295          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
296          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
297          */
298         if (data->correction_factor[data->bucket] == 0)
299                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
300
301         /* Make sure to round up for half microseconds */
302         data->predicted_us = div_round64(data->expected_us * data->correction_factor[data->bucket],
303                                          RESOLUTION * DECAY);
304
305         get_typical_interval(data);
306
307         /*
308          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
309          * unless the timer is happening really really soon.
310          */
311         if (data->expected_us > 5 &&
312             !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
313                 dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
314                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
315
316         /*
317          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
318          * our constraints.
319          */
320         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
321                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
322                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
323
324                 if (s->disabled || su->disable)
325                         continue;
326                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
327                         continue;
328                 if (s->exit_latency > latency_req)
329                         continue;
330                 if (s->exit_latency * multiplier > data->predicted_us)
331                         continue;
332
333                 data->last_state_idx = i;
334                 data->exit_us = s->exit_latency;
335         }
336
337         return data->last_state_idx;
338 }
339
340 /**
341  * menu_reflect - records that data structures need update
342  * @dev: the CPU
343  * @index: the index of actual entered state
344  *
345  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
346  *       the overall exit latency.
347  */
348 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
349 {
350         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
351         data->last_state_idx = index;
352         if (index >= 0)
353                 data->needs_update = 1;
354 }
355
356 /**
357  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
358  * @drv: cpuidle driver containing state data
359  * @dev: the CPU
360  */
361 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
362 {
363         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
364         int last_idx = data->last_state_idx;
365         unsigned int last_idle_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
366         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
367         unsigned int measured_us;
368         u64 new_factor;
369
370         /*
371          * Ugh, this idle state doesn't support residency measurements, so we
372          * are basically lost in the dark.  As a compromise, assume we slept
373          * for the whole expected time.
374          */
375         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID)))
376                 last_idle_us = data->expected_us;
377
378
379         measured_us = last_idle_us;
380
381         /*
382          * We correct for the exit latency; we are assuming here that the
383          * exit latency happens after the event that we're interested in.
384          */
385         if (measured_us > data->exit_us)
386                 measured_us -= data->exit_us;
387
388
389         /* update our correction ratio */
390
391         new_factor = data->correction_factor[data->bucket]
392                         * (DECAY - 1) / DECAY;
393
394         if (data->expected_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
395                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->expected_us;
396         else
397                 /*
398                  * we were idle so long that we count it as a perfect
399                  * prediction
400                  */
401                 new_factor += RESOLUTION;
402
403         /*
404          * We don't want 0 as factor; we always want at least
405          * a tiny bit of estimated time.
406          */
407         if (new_factor == 0)
408                 new_factor = 1;
409
410         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
411
412         /* update the repeating-pattern data */
413         data->intervals[data->interval_ptr++] = last_idle_us;
414         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
415                 data->interval_ptr = 0;
416 }
417
418 /**
419  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
420  * @drv: cpuidle driver
421  * @dev: the CPU
422  */
423 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
424                                 struct cpuidle_device *dev)
425 {
426         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
427
428         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
429
430         return 0;
431 }
432
433 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
434         .name =         "menu",
435         .rating =       20,
436         .enable =       menu_enable_device,
437         .select =       menu_select,
438         .reflect =      menu_reflect,
439         .owner =        THIS_MODULE,
440 };
441
442 /**
443  * init_menu - initializes the governor
444  */
445 static int __init init_menu(void)
446 {
447         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
448 }
449
450 postcore_initcall(init_menu);