GNU Linux-libre 4.19.286-gnu1
[releases.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/time.h>
16 #include <linux/ktime.h>
17 #include <linux/hrtimer.h>
18 #include <linux/tick.h>
19 #include <linux/sched.h>
20 #include <linux/sched/loadavg.h>
21 #include <linux/sched/stat.h>
22 #include <linux/math64.h>
23
24 /*
25  * Please note when changing the tuning values:
26  * If (MAX_INTERESTING-1) * RESOLUTION > UINT_MAX, the result of
27  * a scaling operation multiplication may overflow on 32 bit platforms.
28  * In that case, #define RESOLUTION as ULL to get 64 bit result:
29  * #define RESOLUTION 1024ULL
30  *
31  * The default values do not overflow.
32  */
33 #define BUCKETS 12
34 #define INTERVAL_SHIFT 3
35 #define INTERVALS (1UL << INTERVAL_SHIFT)
36 #define RESOLUTION 1024
37 #define DECAY 8
38 #define MAX_INTERESTING 50000
39
40
41 /*
42  * Concepts and ideas behind the menu governor
43  *
44  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
45  * state:
46  * 1) Energy break even point
47  * 2) Performance impact
48  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
49  * These these three factors are treated independently.
50  *
51  * Energy break even point
52  * -----------------------
53  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
54  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
55  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
56  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
57  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
58  *
59  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
60  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
61  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
62  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
63  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
64  * be 0.5.
65  *
66  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
67  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
68  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
69  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
70  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
71  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
72  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
73  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
74  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
75  *
76  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
77  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
78  * "is IO outstanding" property.
79  *
80  * Repeatable-interval-detector
81  * ----------------------------
82  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
83  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
84  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
85  * mice.
86  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
87  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
88  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
89  *
90  * Limiting Performance Impact
91  * ---------------------------
92  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
93  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
94  * and in addition, less performance has a power price of its own.
95  *
96  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
97  * holds:
98  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
99  *
100  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
101  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
102  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
103  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
104  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
105  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
106  * C state.
107  *
108  * Two factors are used in determing this multiplier:
109  * a value of 10 is added for each point of "per cpu load average" we have.
110  * a value of 5 points is added for each process that is waiting for
111  * IO on this CPU.
112  * (these values are experimentally determined)
113  *
114  * The load average factor gives a longer term (few seconds) input to the
115  * decision, while the iowait value gives a cpu local instantanious input.
116  * The iowait factor may look low, but realize that this is also already
117  * represented in the system load average.
118  *
119  */
120
121 struct menu_device {
122         int             last_state_idx;
123         int             needs_update;
124         int             tick_wakeup;
125
126         unsigned int    next_timer_us;
127         unsigned int    predicted_us;
128         unsigned int    bucket;
129         unsigned int    correction_factor[BUCKETS];
130         unsigned int    intervals[INTERVALS];
131         int             interval_ptr;
132 };
133
134
135 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
136 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
137
138 static inline int get_loadavg(unsigned long load)
139 {
140         return LOAD_INT(load) * 10 + LOAD_FRAC(load) / 10;
141 }
142
143 static inline int which_bucket(unsigned int duration, unsigned long nr_iowaiters)
144 {
145         int bucket = 0;
146
147         /*
148          * We keep two groups of stats; one with no
149          * IO pending, one without.
150          * This allows us to calculate
151          * E(duration)|iowait
152          */
153         if (nr_iowaiters)
154                 bucket = BUCKETS/2;
155
156         if (duration < 10)
157                 return bucket;
158         if (duration < 100)
159                 return bucket + 1;
160         if (duration < 1000)
161                 return bucket + 2;
162         if (duration < 10000)
163                 return bucket + 3;
164         if (duration < 100000)
165                 return bucket + 4;
166         return bucket + 5;
167 }
168
169 /*
170  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
171  * to take performance requirements into account.
172  * The more performance critical we estimate the system
173  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
174  * the barrier to go to an expensive C state.
175  */
176 static inline int performance_multiplier(unsigned long nr_iowaiters, unsigned long load)
177 {
178         int mult = 1;
179
180         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
181
182         mult += 2 * get_loadavg(load);
183
184         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
185         mult += 10 * nr_iowaiters;
186
187         return mult;
188 }
189
190 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
191
192 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
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 unsigned int get_typical_interval(struct menu_device *data)
201 {
202         int i, divisor;
203         unsigned int max, thresh, avg;
204         uint64_t sum, variance;
205
206         thresh = UINT_MAX; /* Discard outliers above this value */
207
208 again:
209
210         /* First calculate the average of past intervals */
211         max = 0;
212         sum = 0;
213         divisor = 0;
214         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
215                 unsigned int value = data->intervals[i];
216                 if (value <= thresh) {
217                         sum += value;
218                         divisor++;
219                         if (value > max)
220                                 max = value;
221                 }
222         }
223         if (divisor == INTERVALS)
224                 avg = sum >> INTERVAL_SHIFT;
225         else
226                 avg = div_u64(sum, divisor);
227
228         /* Then try to determine variance */
229         variance = 0;
230         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
231                 unsigned int value = data->intervals[i];
232                 if (value <= thresh) {
233                         int64_t diff = (int64_t)value - avg;
234                         variance += diff * diff;
235                 }
236         }
237         if (divisor == INTERVALS)
238                 variance >>= INTERVAL_SHIFT;
239         else
240                 do_div(variance, divisor);
241
242         /*
243          * The typical interval is obtained when standard deviation is
244          * small (stddev <= 20 us, variance <= 400 us^2) or standard
245          * deviation is small compared to the average interval (avg >
246          * 6*stddev, avg^2 > 36*variance). The average is smaller than
247          * UINT_MAX aka U32_MAX, so computing its square does not
248          * overflow a u64. We simply reject this candidate average if
249          * the standard deviation is greater than 715 s (which is
250          * rather unlikely).
251          *
252          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
253          */
254         if (likely(variance <= U64_MAX/36)) {
255                 if ((((u64)avg*avg > variance*36) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
256                                                         || variance <= 400) {
257                         return avg;
258                 }
259         }
260
261         /*
262          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
263          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
264          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
265          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
266          *
267          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
268          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
269          */
270         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
271                 return UINT_MAX;
272
273         thresh = max - 1;
274         goto again;
275 }
276
277 /**
278  * menu_select - selects the next idle state to enter
279  * @drv: cpuidle driver containing state data
280  * @dev: the CPU
281  * @stop_tick: indication on whether or not to stop the tick
282  */
283 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev,
284                        bool *stop_tick)
285 {
286         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
287         int latency_req = cpuidle_governor_latency_req(dev->cpu);
288         int i;
289         int first_idx;
290         int idx;
291         unsigned int interactivity_req;
292         unsigned int expected_interval;
293         unsigned long nr_iowaiters, cpu_load;
294         ktime_t delta_next;
295
296         if (data->needs_update) {
297                 menu_update(drv, dev);
298                 data->needs_update = 0;
299         }
300
301         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
302         if (unlikely(latency_req == 0)) {
303                 *stop_tick = false;
304                 return 0;
305         }
306
307         /* determine the expected residency time, round up */
308         data->next_timer_us = ktime_to_us(tick_nohz_get_sleep_length(&delta_next));
309
310         get_iowait_load(&nr_iowaiters, &cpu_load);
311         data->bucket = which_bucket(data->next_timer_us, nr_iowaiters);
312
313         /*
314          * Force the result of multiplication to be 64 bits even if both
315          * operands are 32 bits.
316          * Make sure to round up for half microseconds.
317          */
318         data->predicted_us = DIV_ROUND_CLOSEST_ULL((uint64_t)data->next_timer_us *
319                                          data->correction_factor[data->bucket],
320                                          RESOLUTION * DECAY);
321
322         expected_interval = get_typical_interval(data);
323         expected_interval = min(expected_interval, data->next_timer_us);
324
325         first_idx = 0;
326         if (drv->states[0].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) {
327                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[1];
328                 unsigned int polling_threshold;
329
330                 /*
331                  * Default to a physical idle state, not to busy polling, unless
332                  * a timer is going to trigger really really soon.
333                  */
334                 polling_threshold = max_t(unsigned int, 20, s->target_residency);
335                 if (data->next_timer_us > polling_threshold &&
336                     latency_req > s->exit_latency && !s->disabled &&
337                     !dev->states_usage[1].disable)
338                         first_idx = 1;
339         }
340
341         /*
342          * Use the lowest expected idle interval to pick the idle state.
343          */
344         data->predicted_us = min(data->predicted_us, expected_interval);
345
346         if (tick_nohz_tick_stopped()) {
347                 /*
348                  * If the tick is already stopped, the cost of possible short
349                  * idle duration misprediction is much higher, because the CPU
350                  * may be stuck in a shallow idle state for a long time as a
351                  * result of it.  In that case say we might mispredict and use
352                  * the known time till the closest timer event for the idle
353                  * state selection.
354                  */
355                 if (data->predicted_us < TICK_USEC)
356                         data->predicted_us = ktime_to_us(delta_next);
357         } else {
358                 /*
359                  * Use the performance multiplier and the user-configurable
360                  * latency_req to determine the maximum exit latency.
361                  */
362                 interactivity_req = data->predicted_us / performance_multiplier(nr_iowaiters, cpu_load);
363                 if (latency_req > interactivity_req)
364                         latency_req = interactivity_req;
365         }
366
367         expected_interval = data->predicted_us;
368         /*
369          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
370          * our constraints.
371          */
372         idx = -1;
373         for (i = first_idx; i < drv->state_count; i++) {
374                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
375                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
376
377                 if (s->disabled || su->disable)
378                         continue;
379                 if (idx == -1)
380                         idx = i; /* first enabled state */
381                 if (s->target_residency > data->predicted_us) {
382                         if (data->predicted_us < TICK_USEC)
383                                 break;
384
385                         if (!tick_nohz_tick_stopped()) {
386                                 /*
387                                  * If the state selected so far is shallow,
388                                  * waking up early won't hurt, so retain the
389                                  * tick in that case and let the governor run
390                                  * again in the next iteration of the loop.
391                                  */
392                                 expected_interval = drv->states[idx].target_residency;
393                                 break;
394                         }
395
396                         /*
397                          * If the state selected so far is shallow and this
398                          * state's target residency matches the time till the
399                          * closest timer event, select this one to avoid getting
400                          * stuck in the shallow one for too long.
401                          */
402                         if (drv->states[idx].target_residency < TICK_USEC &&
403                             s->target_residency <= ktime_to_us(delta_next))
404                                 idx = i;
405
406                         goto out;
407                 }
408                 if (s->exit_latency > latency_req) {
409                         /*
410                          * If we break out of the loop for latency reasons, use
411                          * the target residency of the selected state as the
412                          * expected idle duration so that the tick is retained
413                          * as long as that target residency is low enough.
414                          */
415                         expected_interval = drv->states[idx].target_residency;
416                         break;
417                 }
418                 idx = i;
419         }
420
421         if (idx == -1)
422                 idx = 0; /* No states enabled. Must use 0. */
423
424         /*
425          * Don't stop the tick if the selected state is a polling one or if the
426          * expected idle duration is shorter than the tick period length.
427          */
428         if (((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) ||
429              expected_interval < TICK_USEC) && !tick_nohz_tick_stopped()) {
430                 unsigned int delta_next_us = ktime_to_us(delta_next);
431
432                 *stop_tick = false;
433
434                 if (idx > 0 && drv->states[idx].target_residency > delta_next_us) {
435                         /*
436                          * The tick is not going to be stopped and the target
437                          * residency of the state to be returned is not within
438                          * the time until the next timer event including the
439                          * tick, so try to correct that.
440                          */
441                         for (i = idx - 1; i >= 0; i--) {
442                                 if (drv->states[i].disabled ||
443                                     dev->states_usage[i].disable)
444                                         continue;
445
446                                 idx = i;
447                                 if (drv->states[i].target_residency <= delta_next_us)
448                                         break;
449                         }
450                 }
451         }
452
453 out:
454         data->last_state_idx = idx;
455
456         return data->last_state_idx;
457 }
458
459 /**
460  * menu_reflect - records that data structures need update
461  * @dev: the CPU
462  * @index: the index of actual entered state
463  *
464  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
465  *       the overall exit latency.
466  */
467 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
468 {
469         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
470
471         data->last_state_idx = index;
472         data->needs_update = 1;
473         data->tick_wakeup = tick_nohz_idle_got_tick();
474 }
475
476 /**
477  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
478  * @drv: cpuidle driver containing state data
479  * @dev: the CPU
480  */
481 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
482 {
483         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
484         int last_idx = data->last_state_idx;
485         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
486         unsigned int measured_us;
487         unsigned int new_factor;
488
489         /*
490          * Try to figure out how much time passed between entry to low
491          * power state and occurrence of the wakeup event.
492          *
493          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
494          * we use them anyway if they are short, and if long,
495          * truncate to the whole expected time.
496          *
497          * Any measured amount of time will include the exit latency.
498          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
499          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
500          * the measured amount of time is less than the exit latency,
501          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
502          */
503
504         if (data->tick_wakeup && data->next_timer_us > TICK_USEC) {
505                 /*
506                  * The nohz code said that there wouldn't be any events within
507                  * the tick boundary (if the tick was stopped), but the idle
508                  * duration predictor had a differing opinion.  Since the CPU
509                  * was woken up by a tick (that wasn't stopped after all), the
510                  * predictor was not quite right, so assume that the CPU could
511                  * have been idle long (but not forever) to help the idle
512                  * duration predictor do a better job next time.
513                  */
514                 measured_us = 9 * MAX_INTERESTING / 10;
515         } else if ((drv->states[last_idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
516                    dev->poll_time_limit) {
517                 /*
518                  * The CPU exited the "polling" state due to a time limit, so
519                  * the idle duration prediction leading to the selection of that
520                  * state was inaccurate.  If a better prediction had been made,
521                  * the CPU might have been woken up from idle by the next timer.
522                  * Assume that to be the case.
523                  */
524                 measured_us = data->next_timer_us;
525         } else {
526                 /* measured value */
527                 measured_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
528
529                 /* Deduct exit latency */
530                 if (measured_us > 2 * target->exit_latency)
531                         measured_us -= target->exit_latency;
532                 else
533                         measured_us /= 2;
534         }
535
536         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
537         if (measured_us > data->next_timer_us)
538                 measured_us = data->next_timer_us;
539
540         /* Update our correction ratio */
541         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
542         new_factor -= new_factor / DECAY;
543
544         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
545                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
546         else
547                 /*
548                  * we were idle so long that we count it as a perfect
549                  * prediction
550                  */
551                 new_factor += RESOLUTION;
552
553         /*
554          * We don't want 0 as factor; we always want at least
555          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
556          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
557          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
558          */
559         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
560                 new_factor = 1;
561
562         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
563
564         /* update the repeating-pattern data */
565         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
566         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
567                 data->interval_ptr = 0;
568 }
569
570 /**
571  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
572  * @drv: cpuidle driver
573  * @dev: the CPU
574  */
575 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
576                                 struct cpuidle_device *dev)
577 {
578         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
579         int i;
580
581         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
582
583         /*
584          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
585          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
586          */
587         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
588                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
589
590         return 0;
591 }
592
593 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
594         .name =         "menu",
595         .rating =       20,
596         .enable =       menu_enable_device,
597         .select =       menu_select,
598         .reflect =      menu_reflect,
599 };
600
601 /**
602  * init_menu - initializes the governor
603  */
604 static int __init init_menu(void)
605 {
606         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
607 }
608
609 postcore_initcall(init_menu);