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1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 .. include:: <isonum.txt>
4 .. |struct cpuidle_governor| replace:: :c:type:`struct cpuidle_governor <cpuidle_governor>`
5 .. |struct cpuidle_device| replace:: :c:type:`struct cpuidle_device <cpuidle_device>`
6 .. |struct cpuidle_driver| replace:: :c:type:`struct cpuidle_driver <cpuidle_driver>`
7 .. |struct cpuidle_state| replace:: :c:type:`struct cpuidle_state <cpuidle_state>`
9 ========================
10 CPU Idle Time Management
11 ========================
13 :Copyright: |copy| 2019 Intel Corporation
15 :Author: Rafael J. Wysocki <rafael.j.wysocki@intel.com>
18 CPU Idle Time Management Subsystem
19 ==================================
21 Every time one of the logical CPUs in the system (the entities that appear to
22 fetch and execute instructions: hardware threads, if present, or processor
23 cores) is idle after an interrupt or equivalent wakeup event, which means that
24 there are no tasks to run on it except for the special "idle" task associated
25 with it, there is an opportunity to save energy for the processor that it
26 belongs to.  That can be done by making the idle logical CPU stop fetching
27 instructions from memory and putting some of the processor's functional units
28 depended on by it into an idle state in which they will draw less power.
30 However, there may be multiple different idle states that can be used in such a
31 situation in principle, so it may be necessary to find the most suitable one
32 (from the kernel perspective) and ask the processor to use (or "enter") that
33 particular idle state.  That is the role of the CPU idle time management
34 subsystem in the kernel, called ``CPUIdle``.
36 The design of ``CPUIdle`` is modular and based on the code duplication avoidance
37 principle, so the generic code that in principle need not depend on the hardware
38 or platform design details in it is separate from the code that interacts with
39 the hardware.  It generally is divided into three categories of functional
40 units: *governors* responsible for selecting idle states to ask the processor
41 to enter, *drivers* that pass the governors' decisions on to the hardware and
42 the *core* providing a common framework for them.
45 CPU Idle Time Governors
46 =======================
48 A CPU idle time (``CPUIdle``) governor is a bundle of policy code invoked when
49 one of the logical CPUs in the system turns out to be idle.  Its role is to
50 select an idle state to ask the processor to enter in order to save some energy.
52 ``CPUIdle`` governors are generic and each of them can be used on any hardware
53 platform that the Linux kernel can run on.  For this reason, data structures
54 operated on by them cannot depend on any hardware architecture or platform
55 design details as well.
57 The governor itself is represented by a |struct cpuidle_governor| object
58 containing four callback pointers, :c:member:`enable`, :c:member:`disable`,
59 :c:member:`select`, :c:member:`reflect`, a :c:member:`rating` field described
60 below, and a name (string) used for identifying it.
62 For the governor to be available at all, that object needs to be registered
63 with the ``CPUIdle`` core by calling :c:func:`cpuidle_register_governor()` with
64 a pointer to it passed as the argument.  If successful, that causes the core to
65 add the governor to the global list of available governors and, if it is the
66 only one in the list (that is, the list was empty before) or the value of its
67 :c:member:`rating` field is greater than the value of that field for the
68 governor currently in use, or the name of the new governor was passed to the
69 kernel as the value of the ``cpuidle.governor=`` command line parameter, the new
70 governor will be used from that point on (there can be only one ``CPUIdle``
71 governor in use at a time).  Also, user space can choose the ``CPUIdle``
72 governor to use at run time via ``sysfs``.
74 Once registered, ``CPUIdle`` governors cannot be unregistered, so it is not
75 practical to put them into loadable kernel modules.
77 The interface between ``CPUIdle`` governors and the core consists of four
78 callbacks:
80 :c:member:`enable`
81         ::
83           int (*enable) (struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
85         The role of this callback is to prepare the governor for handling the
86         (logical) CPU represented by the |struct cpuidle_device| object pointed
87         to by the ``dev`` argument.  The |struct cpuidle_driver| object pointed
88         to by the ``drv`` argument represents the ``CPUIdle`` driver to be used
89         with that CPU (among other things, it should contain the list of
90         |struct cpuidle_state| objects representing idle states that the
91         processor holding the given CPU can be asked to enter).
93         It may fail, in which case it is expected to return a negative error
94         code, and that causes the kernel to run the architecture-specific
95         default code for idle CPUs on the CPU in question instead of ``CPUIdle``
96         until the ``->enable()`` governor callback is invoked for that CPU
97         again.
99 :c:member:`disable`
100         ::
102           void (*disable) (struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
104         Called to make the governor stop handling the (logical) CPU represented
105         by the |struct cpuidle_device| object pointed to by the ``dev``
106         argument.
108         It is expected to reverse any changes made by the ``->enable()``
109         callback when it was last invoked for the target CPU, free all memory
110         allocated by that callback and so on.
112 :c:member:`select`
113         ::
115           int (*select) (struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev,
116                          bool *stop_tick);
118         Called to select an idle state for the processor holding the (logical)
119         CPU represented by the |struct cpuidle_device| object pointed to by the
120         ``dev`` argument.
122         The list of idle states to take into consideration is represented by the
123         :c:member:`states` array of |struct cpuidle_state| objects held by the
124         |struct cpuidle_driver| object pointed to by the ``drv`` argument (which
125         represents the ``CPUIdle`` driver to be used with the CPU at hand).  The
126         value returned by this callback is interpreted as an index into that
127         array (unless it is a negative error code).
129         The ``stop_tick`` argument is used to indicate whether or not to stop
130         the scheduler tick before asking the processor to enter the selected
131         idle state.  When the ``bool`` variable pointed to by it (which is set
132         to ``true`` before invoking this callback) is cleared to ``false``, the
133         processor will be asked to enter the selected idle state without
134         stopping the scheduler tick on the given CPU (if the tick has been
135         stopped on that CPU already, however, it will not be restarted before
136         asking the processor to enter the idle state).
138         This callback is mandatory (i.e. the :c:member:`select` callback pointer
139         in |struct cpuidle_governor| must not be ``NULL`` for the registration
140         of the governor to succeed).
142 :c:member:`reflect`
143         ::
145           void (*reflect) (struct cpuidle_device *dev, int index);
147         Called to allow the governor to evaluate the accuracy of the idle state
148         selection made by the ``->select()`` callback (when it was invoked last
149         time) and possibly use the result of that to improve the accuracy of
150         idle state selections in the future.
152 In addition, ``CPUIdle`` governors are required to take power management
153 quality of service (PM QoS) constraints on the processor wakeup latency into
154 account when selecting idle states.  In order to obtain the current effective
155 PM QoS wakeup latency constraint for a given CPU, a ``CPUIdle`` governor is
156 expected to pass the number of the CPU to
157 :c:func:`cpuidle_governor_latency_req()`.  Then, the governor's ``->select()``
158 callback must not return the index of an indle state whose
159 :c:member:`exit_latency` value is greater than the number returned by that
160 function.
163 CPU Idle Time Management Drivers
164 ================================
166 CPU idle time management (``CPUIdle``) drivers provide an interface between the
167 other parts of ``CPUIdle`` and the hardware.
169 First of all, a ``CPUIdle`` driver has to populate the :c:member:`states` array
170 of |struct cpuidle_state| objects included in the |struct cpuidle_driver| object
171 representing it.  Going forward this array will represent the list of available
172 idle states that the processor hardware can be asked to enter shared by all of
173 the logical CPUs handled by the given driver.
175 The entries in the :c:member:`states` array are expected to be sorted by the
176 value of the :c:member:`target_residency` field in |struct cpuidle_state| in
177 the ascending order (that is, index 0 should correspond to the idle state with
178 the minimum value of :c:member:`target_residency`).  [Since the
179 :c:member:`target_residency` value is expected to reflect the "depth" of the
180 idle state represented by the |struct cpuidle_state| object holding it, this
181 sorting order should be the same as the ascending sorting order by the idle
182 state "depth".]
184 Three fields in |struct cpuidle_state| are used by the existing ``CPUIdle``
185 governors for computations related to idle state selection:
187 :c:member:`target_residency`
188         Minimum time to spend in this idle state including the time needed to
189         enter it (which may be substantial) to save more energy than could
190         be saved by staying in a shallower idle state for the same amount of
191         time, in microseconds.
193 :c:member:`exit_latency`
194         Maximum time it will take a CPU asking the processor to enter this idle
195         state to start executing the first instruction after a wakeup from it,
196         in microseconds.
198 :c:member:`flags`
199         Flags representing idle state properties.  Currently, governors only use
200         the ``CPUIDLE_FLAG_POLLING`` flag which is set if the given object
201         does not represent a real idle state, but an interface to a software
202         "loop" that can be used in order to avoid asking the processor to enter
203         any idle state at all.  [There are other flags used by the ``CPUIdle``
204         core in special situations.]
206 The :c:member:`enter` callback pointer in |struct cpuidle_state|, which must not
207 be ``NULL``, points to the routine to execute in order to ask the processor to
208 enter this particular idle state:
212   void (*enter) (struct cpuidle_device *dev, struct cpuidle_driver *drv,
213                  int index);
215 The first two arguments of it point to the |struct cpuidle_device| object
216 representing the logical CPU running this callback and the
217 |struct cpuidle_driver| object representing the driver itself, respectively,
218 and the last one is an index of the |struct cpuidle_state| entry in the driver's
219 :c:member:`states` array representing the idle state to ask the processor to
220 enter.
222 The analogous ``->enter_s2idle()`` callback in |struct cpuidle_state| is used
223 only for implementing the suspend-to-idle system-wide power management feature.
224 The difference between in and ``->enter()`` is that it must not re-enable
225 interrupts at any point (even temporarily) or attempt to change the states of
226 clock event devices, which the ``->enter()`` callback may do sometimes.
228 Once the :c:member:`states` array has been populated, the number of valid
229 entries in it has to be stored in the :c:member:`state_count` field of the
230 |struct cpuidle_driver| object representing the driver.  Moreover, if any
231 entries in the :c:member:`states` array represent "coupled" idle states (that
232 is, idle states that can only be asked for if multiple related logical CPUs are
233 idle), the :c:member:`safe_state_index` field in |struct cpuidle_driver| needs
234 to be the index of an idle state that is not "coupled" (that is, one that can be
235 asked for if only one logical CPU is idle).
237 In addition to that, if the given ``CPUIdle`` driver is only going to handle a
238 subset of logical CPUs in the system, the :c:member:`cpumask` field in its
239 |struct cpuidle_driver| object must point to the set (mask) of CPUs that will be
240 handled by it.
242 A ``CPUIdle`` driver can only be used after it has been registered.  If there
243 are no "coupled" idle state entries in the driver's :c:member:`states` array,
244 that can be accomplished by passing the driver's |struct cpuidle_driver| object
245 to :c:func:`cpuidle_register_driver()`.  Otherwise, :c:func:`cpuidle_register()`
246 should be used for this purpose.
248 However, it also is necessary to register |struct cpuidle_device| objects for
249 all of the logical CPUs to be handled by the given ``CPUIdle`` driver with the
250 help of :c:func:`cpuidle_register_device()` after the driver has been registered
251 and :c:func:`cpuidle_register_driver()`, unlike :c:func:`cpuidle_register()`,
252 does not do that automatically.  For this reason, the drivers that use
253 :c:func:`cpuidle_register_driver()` to register themselves must also take care
254 of registering the |struct cpuidle_device| objects as needed, so it is generally
255 recommended to use :c:func:`cpuidle_register()` for ``CPUIdle`` driver
256 registration in all cases.
258 The registration of a |struct cpuidle_device| object causes the ``CPUIdle``
259 ``sysfs`` interface to be created and the governor's ``->enable()`` callback to
260 be invoked for the logical CPU represented by it, so it must take place after
261 registering the driver that will handle the CPU in question.
263 ``CPUIdle`` drivers and |struct cpuidle_device| objects can be unregistered
264 when they are not necessary any more which allows some resources associated with
265 them to be released.  Due to dependencies between them, all of the
266 |struct cpuidle_device| objects representing CPUs handled by the given
267 ``CPUIdle`` driver must be unregistered, with the help of
268 :c:func:`cpuidle_unregister_device()`, before calling
269 :c:func:`cpuidle_unregister_driver()` to unregister the driver.  Alternatively,
270 :c:func:`cpuidle_unregister()` can be called to unregister a ``CPUIdle`` driver
271 along with all of the |struct cpuidle_device| objects representing CPUs handled
272 by it.
274 ``CPUIdle`` drivers can respond to runtime system configuration changes that
275 lead to modifications of the list of available processor idle states (which can
276 happen, for example, when the system's power source is switched from AC to
277 battery or the other way around).  Upon a notification of such a change,
278 a ``CPUIdle`` driver is expected to call :c:func:`cpuidle_pause_and_lock()` to
279 turn ``CPUIdle`` off temporarily and then :c:func:`cpuidle_disable_device()` for
280 all of the |struct cpuidle_device| objects representing CPUs affected by that
281 change.  Next, it can update its :c:member:`states` array in accordance with
282 the new configuration of the system, call :c:func:`cpuidle_enable_device()` for
283 all of the relevant |struct cpuidle_device| objects and invoke
284 :c:func:`cpuidle_resume_and_unlock()` to allow ``CPUIdle`` to be used again.