Revert "cpuidle: Quickly notice prediction failure in general case"
[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};
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 struct menu_device {
120         int             last_state_idx;
121         int             needs_update;
122
123         unsigned int    expected_us;
124         u64             predicted_us;
125         unsigned int    exit_us;
126         unsigned int    bucket;
127         u64             correction_factor[BUCKETS];
128         u32             intervals[INTERVALS];
129         int             interval_ptr;
130 };
131
132
133 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
134 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
135
136 static int get_loadavg(void)
137 {
138         unsigned long this = this_cpu_load();
139
140
141         return LOAD_INT(this) * 10 + LOAD_FRAC(this) / 10;
142 }
143
144 static inline int which_bucket(unsigned int duration)
145 {
146         int bucket = 0;
147
148         /*
149          * We keep two groups of stats; one with no
150          * IO pending, one without.
151          * This allows us to calculate
152          * E(duration)|iowait
153          */
154         if (nr_iowait_cpu(smp_processor_id()))
155                 bucket = BUCKETS/2;
156
157         if (duration < 10)
158                 return bucket;
159         if (duration < 100)
160                 return bucket + 1;
161         if (duration < 1000)
162                 return bucket + 2;
163         if (duration < 10000)
164                 return bucket + 3;
165         if (duration < 100000)
166                 return bucket + 4;
167         return bucket + 5;
168 }
169
170 /*
171  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
172  * to take performance requirements into account.
173  * The more performance critical we estimate the system
174  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
175  * the barrier to go to an expensive C state.
176  */
177 static inline int performance_multiplier(void)
178 {
179         int mult = 1;
180
181         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
182
183         mult += 2 * get_loadavg();
184
185         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
186         mult += 10 * nr_iowait_cpu(smp_processor_id());
187
188         return mult;
189 }
190
191 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
192
193 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
194
195 /* This implements DIV_ROUND_CLOSEST but avoids 64 bit division */
196 static u64 div_round64(u64 dividend, u32 divisor)
197 {
198         return div_u64(dividend + (divisor / 2), divisor);
199 }
200
201 /* Cancel the hrtimer if it is not triggered yet */
202 void menu_hrtimer_cancel(void)
203 {
204         int cpu = smp_processor_id();
205         struct hrtimer *hrtmr = &per_cpu(menu_hrtimer, cpu);
206
207         /* The timer is still not time out*/
208         if (per_cpu(hrtimer_status, cpu)) {
209                 hrtimer_cancel(hrtmr);
210                 per_cpu(hrtimer_status, cpu) = MENU_HRTIMER_STOP;
211         }
212 }
213 EXPORT_SYMBOL_GPL(menu_hrtimer_cancel);
214
215 /* Call back for hrtimer is triggered */
216 static enum hrtimer_restart menu_hrtimer_notify(struct hrtimer *hrtimer)
217 {
218         int cpu = smp_processor_id();
219
220         per_cpu(hrtimer_status, cpu) = MENU_HRTIMER_STOP;
221
222         return HRTIMER_NORESTART;
223 }
224
225 /*
226  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
227  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
228  * of points is below a threshold. If it is... then use the
229  * average of these 8 points as the estimated value.
230  */
231 static u32 get_typical_interval(struct menu_device *data)
232 {
233         int i = 0, divisor = 0;
234         uint64_t max = 0, avg = 0, stddev = 0;
235         int64_t thresh = LLONG_MAX; /* Discard outliers above this value. */
236         unsigned int ret = 0;
237
238 again:
239
240         /* first calculate average and standard deviation of the past */
241         max = avg = divisor = stddev = 0;
242         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
243                 int64_t value = data->intervals[i];
244                 if (value <= thresh) {
245                         avg += value;
246                         divisor++;
247                         if (value > max)
248                                 max = value;
249                 }
250         }
251         do_div(avg, divisor);
252
253         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
254                 int64_t value = data->intervals[i];
255                 if (value <= thresh) {
256                         int64_t diff = value - avg;
257                         stddev += diff * diff;
258                 }
259         }
260         do_div(stddev, divisor);
261         stddev = int_sqrt(stddev);
262         /*
263          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
264          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
265          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
266          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
267          *
268          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
269          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
270          *
271          * The typical interval is obtained when standard deviation is small
272          * or standard deviation is small compared to the average interval.
273          */
274         if (((avg > stddev * 6) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
275                                                         || stddev <= 20) {
276                 data->predicted_us = avg;
277                 ret = 1;
278                 return ret;
279
280         } else if ((divisor * 4) > INTERVALS * 3) {
281                 /* Exclude the max interval */
282                 thresh = max - 1;
283                 goto again;
284         }
285
286         return ret;
287 }
288
289 /**
290  * menu_select - selects the next idle state to enter
291  * @drv: cpuidle driver containing state data
292  * @dev: the CPU
293  */
294 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
295 {
296         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
297         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
298         int i;
299         int multiplier;
300         struct timespec t;
301         int repeat = 0, low_predicted = 0;
302         int cpu = smp_processor_id();
303         struct hrtimer *hrtmr = &per_cpu(menu_hrtimer, cpu);
304
305         if (data->needs_update) {
306                 menu_update(drv, dev);
307                 data->needs_update = 0;
308         }
309
310         data->last_state_idx = 0;
311         data->exit_us = 0;
312
313         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
314         if (unlikely(latency_req == 0))
315                 return 0;
316
317         /* determine the expected residency time, round up */
318         t = ktime_to_timespec(tick_nohz_get_sleep_length());
319         data->expected_us =
320                 t.tv_sec * USEC_PER_SEC + t.tv_nsec / NSEC_PER_USEC;
321
322
323         data->bucket = which_bucket(data->expected_us);
324
325         multiplier = performance_multiplier();
326
327         /*
328          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
329          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
330          */
331         if (data->correction_factor[data->bucket] == 0)
332                 data->correction_factor[data->bucket] = RESOLUTION * DECAY;
333
334         /* Make sure to round up for half microseconds */
335         data->predicted_us = div_round64(data->expected_us * data->correction_factor[data->bucket],
336                                          RESOLUTION * DECAY);
337
338         repeat = get_typical_interval(data);
339
340         /*
341          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
342          * unless the timer is happening really really soon.
343          */
344         if (data->expected_us > 5 &&
345             !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
346                 dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
347                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
348
349         /*
350          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
351          * our constraints.
352          */
353         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
354                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
355                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
356
357                 if (s->disabled || su->disable)
358                         continue;
359                 if (s->target_residency > data->predicted_us) {
360                         low_predicted = 1;
361                         continue;
362                 }
363                 if (s->exit_latency > latency_req)
364                         continue;
365                 if (s->exit_latency * multiplier > data->predicted_us)
366                         continue;
367
368                 data->last_state_idx = i;
369                 data->exit_us = s->exit_latency;
370         }
371
372         /* not deepest C-state chosen for low predicted residency */
373         if (low_predicted) {
374                 unsigned int timer_us = 0;
375
376                 /*
377                  * Set a timer to detect whether this sleep is much
378                  * longer than repeat mode predicted.  If the timer
379                  * triggers, the code will evaluate whether to put
380                  * the CPU into a deeper C-state.
381                  * The timer is cancelled on CPU wakeup.
382                  */
383                 timer_us = 2 * (data->predicted_us + MAX_DEVIATION);
384
385                 if (repeat && (4 * timer_us < data->expected_us)) {
386                         RCU_NONIDLE(hrtimer_start(hrtmr,
387                                 ns_to_ktime(1000 * timer_us),
388                                 HRTIMER_MODE_REL_PINNED));
389                         /* In repeat case, menu hrtimer is started */
390                         per_cpu(hrtimer_status, cpu) = MENU_HRTIMER_REPEAT;
391                 }
392         }
393
394         return data->last_state_idx;
395 }
396
397 /**
398  * menu_reflect - records that data structures need update
399  * @dev: the CPU
400  * @index: the index of actual entered state
401  *
402  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
403  *       the overall exit latency.
404  */
405 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
406 {
407         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
408         data->last_state_idx = index;
409         if (index >= 0)
410                 data->needs_update = 1;
411 }
412
413 /**
414  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
415  * @drv: cpuidle driver containing state data
416  * @dev: the CPU
417  */
418 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
419 {
420         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
421         int last_idx = data->last_state_idx;
422         unsigned int last_idle_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
423         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
424         unsigned int measured_us;
425         u64 new_factor;
426
427         /*
428          * Ugh, this idle state doesn't support residency measurements, so we
429          * are basically lost in the dark.  As a compromise, assume we slept
430          * for the whole expected time.
431          */
432         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID)))
433                 last_idle_us = data->expected_us;
434
435
436         measured_us = last_idle_us;
437
438         /*
439          * We correct for the exit latency; we are assuming here that the
440          * exit latency happens after the event that we're interested in.
441          */
442         if (measured_us > data->exit_us)
443                 measured_us -= data->exit_us;
444
445
446         /* update our correction ratio */
447
448         new_factor = data->correction_factor[data->bucket]
449                         * (DECAY - 1) / DECAY;
450
451         if (data->expected_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
452                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->expected_us;
453         else
454                 /*
455                  * we were idle so long that we count it as a perfect
456                  * prediction
457                  */
458                 new_factor += RESOLUTION;
459
460         /*
461          * We don't want 0 as factor; we always want at least
462          * a tiny bit of estimated time.
463          */
464         if (new_factor == 0)
465                 new_factor = 1;
466
467         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
468
469         /* update the repeating-pattern data */
470         data->intervals[data->interval_ptr++] = last_idle_us;
471         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
472                 data->interval_ptr = 0;
473 }
474
475 /**
476  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
477  * @drv: cpuidle driver
478  * @dev: the CPU
479  */
480 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
481                                 struct cpuidle_device *dev)
482 {
483         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
484         struct hrtimer *t = &per_cpu(menu_hrtimer, dev->cpu);
485         hrtimer_init(t, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
486         t->function = menu_hrtimer_notify;
487
488         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
489
490         return 0;
491 }
492
493 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
494         .name =         "menu",
495         .rating =       20,
496         .enable =       menu_enable_device,
497         .select =       menu_select,
498         .reflect =      menu_reflect,
499         .owner =        THIS_MODULE,
500 };
501
502 /**
503  * init_menu - initializes the governor
504  */
505 static int __init init_menu(void)
506 {
507         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
508 }
509
510 /**
511  * exit_menu - exits the governor
512  */
513 static void __exit exit_menu(void)
514 {
515         cpuidle_unregister_governor(&menu_governor);
516 }
517
518 MODULE_LICENSE("GPL");
519 module_init(init_menu);
520 module_exit(exit_menu);