Merge remote-tracking branch 'lsk/linux-linaro-lsk-v4.4-android' into linux-linaro...
[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 /*
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
125         unsigned int    next_timer_us;
126         unsigned int    predicted_us;
127         unsigned int    bucket;
128         unsigned int    correction_factor[BUCKETS];
129         unsigned int    intervals[INTERVALS];
130         int             interval_ptr;
131 };
132
133
134 #define LOAD_INT(x) ((x) >> FSHIFT)
135 #define LOAD_FRAC(x) LOAD_INT(((x) & (FIXED_1-1)) * 100)
136
137 static inline int get_loadavg(unsigned long load)
138 {
139         return LOAD_INT(load) * 10 + LOAD_FRAC(load) / 10;
140 }
141
142 static inline int which_bucket(unsigned int duration, unsigned long nr_iowaiters)
143 {
144         int bucket = 0;
145
146         /*
147          * We keep two groups of stats; one with no
148          * IO pending, one without.
149          * This allows us to calculate
150          * E(duration)|iowait
151          */
152         if (nr_iowaiters)
153                 bucket = BUCKETS/2;
154
155         if (duration < 10)
156                 return bucket;
157         if (duration < 100)
158                 return bucket + 1;
159         if (duration < 1000)
160                 return bucket + 2;
161         if (duration < 10000)
162                 return bucket + 3;
163         if (duration < 100000)
164                 return bucket + 4;
165         return bucket + 5;
166 }
167
168 /*
169  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
170  * to take performance requirements into account.
171  * The more performance critical we estimate the system
172  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
173  * the barrier to go to an expensive C state.
174  */
175 static inline int performance_multiplier(unsigned long nr_iowaiters, unsigned long load)
176 {
177         int mult = 1;
178
179         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
180
181         /*
182          * this doesn't work as intended - it is almost always 0, but can
183          * sometimes, depending on workload, spike very high into the hundreds
184          * even when the average cpu load is under 10%.
185          */
186         /* mult += 2 * get_loadavg(); */
187
188         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
189         mult += 10 * nr_iowaiters;
190
191         return mult;
192 }
193
194 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
195
196 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
197
198 /*
199  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
200  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
201  * of points is below a threshold. If it is... then use the
202  * average of these 8 points as the estimated value.
203  */
204 static void get_typical_interval(struct menu_device *data)
205 {
206         int i, divisor;
207         unsigned int max, thresh;
208         uint64_t avg, stddev;
209
210         thresh = UINT_MAX; /* Discard outliers above this value */
211
212 again:
213
214         /* First calculate the average of past intervals */
215         max = 0;
216         avg = 0;
217         divisor = 0;
218         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
219                 unsigned int value = data->intervals[i];
220                 if (value <= thresh) {
221                         avg += value;
222                         divisor++;
223                         if (value > max)
224                                 max = value;
225                 }
226         }
227         if (divisor == INTERVALS)
228                 avg >>= INTERVAL_SHIFT;
229         else
230                 do_div(avg, divisor);
231
232         /* Then try to determine standard deviation */
233         stddev = 0;
234         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
235                 unsigned int value = data->intervals[i];
236                 if (value <= thresh) {
237                         int64_t diff = value - avg;
238                         stddev += diff * diff;
239                 }
240         }
241         if (divisor == INTERVALS)
242                 stddev >>= INTERVAL_SHIFT;
243         else
244                 do_div(stddev, divisor);
245
246         /*
247          * The typical interval is obtained when standard deviation is small
248          * or standard deviation is small compared to the average interval.
249          *
250          * int_sqrt() formal parameter type is unsigned long. When the
251          * greatest difference to an outlier exceeds ~65 ms * sqrt(divisor)
252          * the resulting squared standard deviation exceeds the input domain
253          * of int_sqrt on platforms where unsigned long is 32 bits in size.
254          * In such case reject the candidate average.
255          *
256          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
257          */
258         if (likely(stddev <= ULONG_MAX)) {
259                 stddev = int_sqrt(stddev);
260                 if (((avg > stddev * 6) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
261                                                         || stddev <= 20) {
262                         if (data->next_timer_us > avg)
263                                 data->predicted_us = avg;
264                         return;
265                 }
266         }
267
268         /*
269          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
270          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
271          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
272          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
273          *
274          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
275          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
276          */
277         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
278                 return;
279
280         thresh = max - 1;
281         goto again;
282 }
283
284 /**
285  * menu_select - selects the next idle state to enter
286  * @drv: cpuidle driver containing state data
287  * @dev: the CPU
288  */
289 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
290 {
291         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
292         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
293         int i;
294         unsigned int interactivity_req;
295         unsigned long nr_iowaiters, cpu_load;
296
297         if (data->needs_update) {
298                 menu_update(drv, dev);
299                 data->needs_update = 0;
300         }
301
302         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START - 1;
303
304         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
305         if (unlikely(latency_req == 0))
306                 return 0;
307
308         /* determine the expected residency time, round up */
309         data->next_timer_us = ktime_to_us(tick_nohz_get_sleep_length());
310
311         get_iowait_load(&nr_iowaiters, &cpu_load);
312         data->bucket = which_bucket(data->next_timer_us, nr_iowaiters);
313
314         /*
315          * Force the result of multiplication to be 64 bits even if both
316          * operands are 32 bits.
317          * Make sure to round up for half microseconds.
318          */
319         data->predicted_us = DIV_ROUND_CLOSEST_ULL((uint64_t)data->next_timer_us *
320                                          data->correction_factor[data->bucket],
321                                          RESOLUTION * DECAY);
322
323         get_typical_interval(data);
324
325         /*
326          * Performance multiplier defines a minimum predicted idle
327          * duration / latency ratio. Adjust the latency limit if
328          * necessary.
329          */
330         interactivity_req = data->predicted_us / performance_multiplier(nr_iowaiters, cpu_load);
331         if (latency_req > interactivity_req)
332                 latency_req = interactivity_req;
333
334         /*
335          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
336          * unless the timer is happening really really soon.
337          */
338         if (data->next_timer_us > 5 &&
339             !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
340                 dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
341                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
342
343         /*
344          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
345          * our constraints.
346          */
347         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
348                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
349                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
350
351                 if (s->disabled || su->disable)
352                         continue;
353                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
354                         continue;
355                 if (s->exit_latency > latency_req)
356                         continue;
357
358                 data->last_state_idx = i;
359         }
360
361         return data->last_state_idx;
362 }
363
364 /**
365  * menu_reflect - records that data structures need update
366  * @dev: the CPU
367  * @index: the index of actual entered state
368  *
369  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
370  *       the overall exit latency.
371  */
372 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
373 {
374         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
375
376         data->last_state_idx = index;
377         data->needs_update = 1;
378 }
379
380 /**
381  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
382  * @drv: cpuidle driver containing state data
383  * @dev: the CPU
384  */
385 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
386 {
387         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
388         int last_idx = data->last_state_idx;
389         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
390         unsigned int measured_us;
391         unsigned int new_factor;
392
393         /*
394          * Try to figure out how much time passed between entry to low
395          * power state and occurrence of the wakeup event.
396          *
397          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
398          * we use them anyway if they are short, and if long,
399          * truncate to the whole expected time.
400          *
401          * Any measured amount of time will include the exit latency.
402          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
403          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
404          * the measured amount of time is less than the exit latency,
405          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
406          */
407
408         /* measured value */
409         measured_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
410
411         /* Deduct exit latency */
412         if (measured_us > target->exit_latency)
413                 measured_us -= target->exit_latency;
414
415         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
416         if (measured_us > data->next_timer_us)
417                 measured_us = data->next_timer_us;
418
419         /* Update our correction ratio */
420         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
421         new_factor -= new_factor / DECAY;
422
423         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
424                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
425         else
426                 /*
427                  * we were idle so long that we count it as a perfect
428                  * prediction
429                  */
430                 new_factor += RESOLUTION;
431
432         /*
433          * We don't want 0 as factor; we always want at least
434          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
435          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
436          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
437          */
438         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
439                 new_factor = 1;
440
441         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
442
443         /* update the repeating-pattern data */
444         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
445         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
446                 data->interval_ptr = 0;
447 }
448
449 /**
450  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
451  * @drv: cpuidle driver
452  * @dev: the CPU
453  */
454 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
455                                 struct cpuidle_device *dev)
456 {
457         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
458         int i;
459
460         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
461
462         /*
463          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
464          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
465          */
466         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
467                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
468
469         return 0;
470 }
471
472 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
473         .name =         "menu",
474         .rating =       20,
475         .enable =       menu_enable_device,
476         .select =       menu_select,
477         .reflect =      menu_reflect,
478         .owner =        THIS_MODULE,
479 };
480
481 /**
482  * init_menu - initializes the governor
483  */
484 static int __init init_menu(void)
485 {
486         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
487 }
488
489 postcore_initcall(init_menu);