cw1200: When debug is enabled, display all wakeup conditions for the wait_event_inter...
[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 /* 60 * 60 > STDDEV_THRESH * INTERVALS = 400 * 8 */
32 #define MAX_DEVIATION 60
33
34 static DEFINE_PER_CPU(struct hrtimer, menu_hrtimer);
35 static DEFINE_PER_CPU(int, hrtimer_status);
36 /* menu hrtimer mode */
37 enum {MENU_HRTIMER_STOP, MENU_HRTIMER_REPEAT, MENU_HRTIMER_GENERAL};
38
39 /*
40  * Concepts and ideas behind the menu governor
41  *
42  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
43  * state:
44  * 1) Energy break even point
45  * 2) Performance impact
46  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
47  * These these three factors are treated independently.
48  *
49  * Energy break even point
50  * -----------------------
51  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
52  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
53  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
54  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
55  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
56  *
57  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
58  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
59  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
60  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
61  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
62  * be 0.5.
63  *
64  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
65  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
66  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
67  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
68  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
69  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
70  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
71  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
72  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
73  *
74  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
75  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
76  * "is IO outstanding" property.
77  *
78  * Repeatable-interval-detector
79  * ----------------------------
80  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
81  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
82  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
83  * mice.
84  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
85  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
86  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
87  *
88  * Limiting Performance Impact
89  * ---------------------------
90  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
91  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
92  * and in addition, less performance has a power price of its own.
93  *
94  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
95  * holds:
96  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
97  *
98  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
99  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
100  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
101  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
102  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
103  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
104  * C state.
105  *
106  * Two factors are used in determing this multiplier:
107  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
108  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
109  * IO on this CPU.
110  * (these values are experimentally determined)
111  *
112  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
113  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
114  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
115  * represented in the system load average.
116  *
117  */
118
119 /*
120  * The C-state residency is so long that is is worthwhile to exit
121  * from the shallow C-state and re-enter into a deeper C-state.
122  */
123 static unsigned int perfect_cstate_ms __read_mostly = 30;
124 module_param(perfect_cstate_ms, uint, 0000);
125
126 struct menu_device {
127         int             last_state_idx;
128         int             needs_update;
129
130         unsigned int    expected_us;
131         u64             predicted_us;
132         unsigned int    exit_us;
133         unsigned int    bucket;
134         u64             correction_factor[BUCKETS];
135         u32             intervals[INTERVALS];
136         int             interval_ptr;
137 };
138
139
140 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
141 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
142
143 static int get_loadavg(void)
144 {
145         unsigned long this = this_cpu_load();
146
147
148         return LOAD_INT(this) * 10 + LOAD_FRAC(this) / 10;
149 }
150
151 static inline int which_bucket(unsigned int duration)
152 {
153         int bucket = 0;
154
155         /*
156          * We keep two groups of stats; one with no
157          * IO pending, one without.
158          * This allows us to calculate
159          * E(duration)|iowait
160          */
161         if (nr_iowait_cpu(smp_processor_id()))
162                 bucket = BUCKETS/2;
163
164         if (duration < 10)
165                 return bucket;
166         if (duration < 100)
167                 return bucket + 1;
168         if (duration < 1000)
169                 return bucket + 2;
170         if (duration < 10000)
171                 return bucket + 3;
172         if (duration < 100000)
173                 return bucket + 4;
174         return bucket + 5;
175 }
176
177 /*
178  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
179  * to take performance requirements into account.
180  * The more performance critical we estimate the system
181  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
182  * the barrier to go to an expensive C state.
183  */
184 static inline int performance_multiplier(void)
185 {
186         int mult = 1;
187
188         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
189
190         mult += 2 * get_loadavg();
191
192         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
193         mult += 10 * nr_iowait_cpu(smp_processor_id());
194
195         return mult;
196 }
197
198 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
199
200 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
201
202 /* This implements DIV_ROUND_CLOSEST but avoids 64 bit division */
203 static u64 div_round64(u64 dividend, u32 divisor)
204 {
205         return div_u64(dividend + (divisor / 2), divisor);
206 }
207
208 /* Cancel the hrtimer if it is not triggered yet */
209 void menu_hrtimer_cancel(void)
210 {
211         int cpu = smp_processor_id();
212         struct hrtimer *hrtmr = &per_cpu(menu_hrtimer, cpu);
213
214         /* The timer is still not time out*/
215         if (per_cpu(hrtimer_status, cpu)) {
216                 hrtimer_cancel(hrtmr);
217                 per_cpu(hrtimer_status, cpu) = MENU_HRTIMER_STOP;
218         }
219 }
220 EXPORT_SYMBOL_GPL(menu_hrtimer_cancel);
221
222 /* Call back for hrtimer is triggered */
223 static enum hrtimer_restart menu_hrtimer_notify(struct hrtimer *hrtimer)
224 {
225         int cpu = smp_processor_id();
226         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, cpu);
227
228         /* In general case, the expected residency is much larger than
229          *  deepest C-state target residency, but prediction logic still
230          *  predicts a small predicted residency, so the prediction
231          *  history is totally broken if the timer is triggered.
232          *  So reset the correction factor.
233          */
234         if (per_cpu(hrtimer_status, cpu) == MENU_HRTIMER_GENERAL)
235                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
236
237         per_cpu(hrtimer_status, cpu) = MENU_HRTIMER_STOP;
238
239         return HRTIMER_NORESTART;
240 }
241
242 /*
243  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
244  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
245  * of points is below a threshold. If it is... then use the
246  * average of these 8 points as the estimated value.
247  */
248 static u32 get_typical_interval(struct menu_device *data)
249 {
250         int i = 0, divisor = 0;
251         uint64_t max = 0, avg = 0, stddev = 0;
252         int64_t thresh = LLONG_MAX; /* Discard outliers above this value. */
253         unsigned int ret = 0;
254
255 again:
256
257         /* first calculate average and standard deviation of the past */
258         max = avg = divisor = stddev = 0;
259         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
260                 int64_t value = data->intervals[i];
261                 if (value <= thresh) {
262                         avg += value;
263                         divisor++;
264                         if (value > max)
265                                 max = value;
266                 }
267         }
268         do_div(avg, divisor);
269
270         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
271                 int64_t value = data->intervals[i];
272                 if (value <= thresh) {
273                         int64_t diff = value - avg;
274                         stddev += diff * diff;
275                 }
276         }
277         do_div(stddev, divisor);
278         stddev = int_sqrt(stddev);
279         /*
280          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
281          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
282          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
283          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
284          *
285          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
286          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
287          *
288          * The typical interval is obtained when standard deviation is small
289          * or standard deviation is small compared to the average interval.
290          */
291         if (((avg > stddev * 6) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
292                                                         || stddev <= 20) {
293                 data->predicted_us = avg;
294                 ret = 1;
295                 return ret;
296
297         } else if ((divisor * 4) > INTERVALS * 3) {
298                 /* Exclude the max interval */
299                 thresh = max - 1;
300                 goto again;
301         }
302
303         return ret;
304 }
305
306 /**
307  * menu_select - selects the next idle state to enter
308  * @drv: cpuidle driver containing state data
309  * @dev: the CPU
310  */
311 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
312 {
313         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
314         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
315         int i;
316         int multiplier;
317         struct timespec t;
318         int repeat = 0, low_predicted = 0;
319         int cpu = smp_processor_id();
320         struct hrtimer *hrtmr = &per_cpu(menu_hrtimer, cpu);
321
322         if (data->needs_update) {
323                 menu_update(drv, dev);
324                 data->needs_update = 0;
325         }
326
327         data->last_state_idx = 0;
328         data->exit_us = 0;
329
330         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
331         if (unlikely(latency_req == 0))
332                 return 0;
333
334         /* determine the expected residency time, round up */
335         t = ktime_to_timespec(tick_nohz_get_sleep_length());
336         data->expected_us =
337                 t.tv_sec * USEC_PER_SEC + t.tv_nsec / NSEC_PER_USEC;
338
339
340         data->bucket = which_bucket(data->expected_us);
341
342         multiplier = performance_multiplier();
343
344         /*
345          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
346          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
347          */
348         if (data->correction_factor[data->bucket] == 0)
349                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
350
351         /* Make sure to round up for half microseconds */
352         data->predicted_us = div_round64(data->expected_us * data->correction_factor[data->bucket],
353                                          RESOLUTION * DECAY);
354
355         repeat = get_typical_interval(data);
356
357         /*
358          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
359          * unless the timer is happening really really soon.
360          */
361         if (data->expected_us > 5 &&
362             !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
363                 dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
364                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
365
366         /*
367          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
368          * our constraints.
369          */
370         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
371                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
372                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
373
374                 if (s->disabled || su->disable)
375                         continue;
376                 if (s->target_residency > data->predicted_us) {
377                         low_predicted = 1;
378                         continue;
379                 }
380                 if (s->exit_latency > latency_req)
381                         continue;
382                 if (s->exit_latency * multiplier > data->predicted_us)
383                         continue;
384
385                 data->last_state_idx = i;
386                 data->exit_us = s->exit_latency;
387         }
388
389         /* not deepest C-state chosen for low predicted residency */
390         if (low_predicted) {
391                 unsigned int timer_us = 0;
392                 unsigned int perfect_us = 0;
393
394                 /*
395                  * Set a timer to detect whether this sleep is much
396                  * longer than repeat mode predicted.  If the timer
397                  * triggers, the code will evaluate whether to put
398                  * the CPU into a deeper C-state.
399                  * The timer is cancelled on CPU wakeup.
400                  */
401                 timer_us = 2 * (data->predicted_us + MAX_DEVIATION);
402
403                 perfect_us = perfect_cstate_ms * 1000;
404
405                 if (repeat && (4 * timer_us < data->expected_us)) {
406                         RCU_NONIDLE(hrtimer_start(hrtmr,
407                                 ns_to_ktime(1000 * timer_us),
408                                 HRTIMER_MODE_REL_PINNED));
409                         /* In repeat case, menu hrtimer is started */
410                         per_cpu(hrtimer_status, cpu) = MENU_HRTIMER_REPEAT;
411                 } else if (perfect_us < data->expected_us) {
412                         /*
413                          * The next timer is long. This could be because
414                          * we did not make a useful prediction.
415                          * In that case, it makes sense to re-enter
416                          * into a deeper C-state after some time.
417                          */
418                         RCU_NONIDLE(hrtimer_start(hrtmr,
419                                 ns_to_ktime(1000 * timer_us),
420                                 HRTIMER_MODE_REL_PINNED));
421                         /* In general case, menu hrtimer is started */
422                         per_cpu(hrtimer_status, cpu) = MENU_HRTIMER_GENERAL;
423                 }
424
425         }
426
427         return data->last_state_idx;
428 }
429
430 /**
431  * menu_reflect - records that data structures need update
432  * @dev: the CPU
433  * @index: the index of actual entered state
434  *
435  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
436  *       the overall exit latency.
437  */
438 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
439 {
440         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
441         data->last_state_idx = index;
442         if (index >= 0)
443                 data->needs_update = 1;
444 }
445
446 /**
447  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
448  * @drv: cpuidle driver containing state data
449  * @dev: the CPU
450  */
451 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
452 {
453         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
454         int last_idx = data->last_state_idx;
455         unsigned int last_idle_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
456         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
457         unsigned int measured_us;
458         u64 new_factor;
459
460         /*
461          * Ugh, this idle state doesn't support residency measurements, so we
462          * are basically lost in the dark.  As a compromise, assume we slept
463          * for the whole expected time.
464          */
465         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID)))
466                 last_idle_us = data->expected_us;
467
468
469         measured_us = last_idle_us;
470
471         /*
472          * We correct for the exit latency; we are assuming here that the
473          * exit latency happens after the event that we're interested in.
474          */
475         if (measured_us > data->exit_us)
476                 measured_us -= data->exit_us;
477
478
479         /* update our correction ratio */
480
481         new_factor = data->correction_factor[data->bucket]
482                         * (DECAY - 1) / DECAY;
483
484         if (data->expected_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
485                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->expected_us;
486         else
487                 /*
488                  * we were idle so long that we count it as a perfect
489                  * prediction
490                  */
491                 new_factor += RESOLUTION;
492
493         /*
494          * We don't want 0 as factor; we always want at least
495          * a tiny bit of estimated time.
496          */
497         if (new_factor == 0)
498                 new_factor = 1;
499
500         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
501
502         /* update the repeating-pattern data */
503         data->intervals[data->interval_ptr++] = last_idle_us;
504         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
505                 data->interval_ptr = 0;
506 }
507
508 /**
509  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
510  * @drv: cpuidle driver
511  * @dev: the CPU
512  */
513 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
514                                 struct cpuidle_device *dev)
515 {
516         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
517         struct hrtimer *t = &per_cpu(menu_hrtimer, dev->cpu);
518         hrtimer_init(t, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
519         t->function = menu_hrtimer_notify;
520
521         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
522
523         return 0;
524 }
525
526 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
527         .name =         "menu",
528         .rating =       20,
529         .enable =       menu_enable_device,
530         .select =       menu_select,
531         .reflect =      menu_reflect,
532         .owner =        THIS_MODULE,
533 };
534
535 /**
536  * init_menu - initializes the governor
537  */
538 static int __init init_menu(void)
539 {
540         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
541 }
542
543 /**
544  * exit_menu - exits the governor
545  */
546 static void __exit exit_menu(void)
547 {
548         cpuidle_unregister_governor(&menu_governor);
549 }
550
551 MODULE_LICENSE("GPL");
552 module_init(init_menu);
553 module_exit(exit_menu);