Merge remote-tracking branches 'spi/topic/adi-v3', 'spi/topic/atmel', 'spi/topic...
[sfrench/cifs-2.6.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 INTERVALS 8
35 #define RESOLUTION 1024
36 #define DECAY 8
37 #define MAX_INTERESTING 50000
38 #define STDDEV_THRESH 400
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 int get_loadavg(void)
138 {
139         unsigned long this = this_cpu_load();
140
141
142         return LOAD_INT(this) * 10 + LOAD_FRAC(this) / 10;
143 }
144
145 static inline int which_bucket(unsigned int duration)
146 {
147         int bucket = 0;
148
149         /*
150          * We keep two groups of stats; one with no
151          * IO pending, one without.
152          * This allows us to calculate
153          * E(duration)|iowait
154          */
155         if (nr_iowait_cpu(smp_processor_id()))
156                 bucket = BUCKETS/2;
157
158         if (duration < 10)
159                 return bucket;
160         if (duration < 100)
161                 return bucket + 1;
162         if (duration < 1000)
163                 return bucket + 2;
164         if (duration < 10000)
165                 return bucket + 3;
166         if (duration < 100000)
167                 return bucket + 4;
168         return bucket + 5;
169 }
170
171 /*
172  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
173  * to take performance requirements into account.
174  * The more performance critical we estimate the system
175  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
176  * the barrier to go to an expensive C state.
177  */
178 static inline int performance_multiplier(void)
179 {
180         int mult = 1;
181
182         /* for higher loadavg, we are more reluctant */
183
184         mult += 2 * get_loadavg();
185
186         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 5x each */
187         mult += 10 * nr_iowait_cpu(smp_processor_id());
188
189         return mult;
190 }
191
192 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
193
194 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
195
196 /* This implements DIV_ROUND_CLOSEST but avoids 64 bit division */
197 static u64 div_round64(u64 dividend, u32 divisor)
198 {
199         return div_u64(dividend + (divisor / 2), divisor);
200 }
201
202 /*
203  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
204  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
205  * of points is below a threshold. If it is... then use the
206  * average of these 8 points as the estimated value.
207  */
208 static void get_typical_interval(struct menu_device *data)
209 {
210         int i, divisor;
211         unsigned int max, thresh;
212         uint64_t avg, stddev;
213
214         thresh = UINT_MAX; /* Discard outliers above this value */
215
216 again:
217
218         /* First calculate the average of past intervals */
219         max = 0;
220         avg = 0;
221         divisor = 0;
222         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
223                 unsigned int value = data->intervals[i];
224                 if (value <= thresh) {
225                         avg += value;
226                         divisor++;
227                         if (value > max)
228                                 max = value;
229                 }
230         }
231         do_div(avg, divisor);
232
233         /* Then try to determine standard deviation */
234         stddev = 0;
235         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
236                 unsigned int value = data->intervals[i];
237                 if (value <= thresh) {
238                         int64_t diff = value - avg;
239                         stddev += diff * diff;
240                 }
241         }
242         do_div(stddev, divisor);
243         /*
244          * The typical interval is obtained when standard deviation is small
245          * or standard deviation is small compared to the average interval.
246          *
247          * int_sqrt() formal parameter type is unsigned long. When the
248          * greatest difference to an outlier exceeds ~65 ms * sqrt(divisor)
249          * the resulting squared standard deviation exceeds the input domain
250          * of int_sqrt on platforms where unsigned long is 32 bits in size.
251          * In such case reject the candidate average.
252          *
253          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
254          */
255         if (likely(stddev <= ULONG_MAX)) {
256                 stddev = int_sqrt(stddev);
257                 if (((avg > stddev * 6) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
258                                                         || stddev <= 20) {
259                         if (data->next_timer_us > avg)
260                                 data->predicted_us = avg;
261                         return;
262                 }
263         }
264
265         /*
266          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
267          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
268          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
269          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
270          *
271          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
272          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
273          */
274         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
275                 return;
276
277         thresh = max - 1;
278         goto again;
279 }
280
281 /**
282  * menu_select - selects the next idle state to enter
283  * @drv: cpuidle driver containing state data
284  * @dev: the CPU
285  */
286 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
287 {
288         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
289         int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);
290         int i;
291         unsigned int interactivity_req;
292         struct timespec t;
293
294         if (data->needs_update) {
295                 menu_update(drv, dev);
296                 data->needs_update = 0;
297         }
298
299         data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START - 1;
300
301         /* Special case when user has set very strict latency requirement */
302         if (unlikely(latency_req == 0))
303                 return 0;
304
305         /* determine the expected residency time, round up */
306         t = ktime_to_timespec(tick_nohz_get_sleep_length());
307         data->next_timer_us =
308                 t.tv_sec * USEC_PER_SEC + t.tv_nsec / NSEC_PER_USEC;
309
310
311         data->bucket = which_bucket(data->next_timer_us);
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_round64((uint64_t)data->next_timer_us *
319                                          data->correction_factor[data->bucket],
320                                          RESOLUTION * DECAY);
321
322         get_typical_interval(data);
323
324         /*
325          * Performance multiplier defines a minimum predicted idle
326          * duration / latency ratio. Adjust the latency limit if
327          * necessary.
328          */
329         interactivity_req = data->predicted_us / performance_multiplier();
330         if (latency_req > interactivity_req)
331                 latency_req = interactivity_req;
332
333         /*
334          * We want to default to C1 (hlt), not to busy polling
335          * unless the timer is happening really really soon.
336          */
337         if (data->next_timer_us > 5 &&
338             !drv->states[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disabled &&
339                 dev->states_usage[CPUIDLE_DRIVER_STATE_START].disable == 0)
340                 data->last_state_idx = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START;
341
342         /*
343          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
344          * our constraints.
345          */
346         for (i = CPUIDLE_DRIVER_STATE_START; i < drv->state_count; i++) {
347                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
348                 struct cpuidle_state_usage *su = &dev->states_usage[i];
349
350                 if (s->disabled || su->disable)
351                         continue;
352                 if (s->target_residency > data->predicted_us)
353                         continue;
354                 if (s->exit_latency > latency_req)
355                         continue;
356
357                 data->last_state_idx = i;
358         }
359
360         return data->last_state_idx;
361 }
362
363 /**
364  * menu_reflect - records that data structures need update
365  * @dev: the CPU
366  * @index: the index of actual entered state
367  *
368  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
369  *       the overall exit latency.
370  */
371 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
372 {
373         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
374         data->last_state_idx = index;
375         if (index >= 0)
376                 data->needs_update = 1;
377 }
378
379 /**
380  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
381  * @drv: cpuidle driver containing state data
382  * @dev: the CPU
383  */
384 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
385 {
386         struct menu_device *data = &__get_cpu_var(menu_devices);
387         int last_idx = data->last_state_idx;
388         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
389         unsigned int measured_us;
390         unsigned int new_factor;
391
392         /*
393          * Try to figure out how much time passed between entry to low
394          * power state and occurrence of the wakeup event.
395          *
396          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
397          * we are basically lost in the dark how much time passed.
398          * As a compromise, assume we slept for the whole expected time.
399          *
400          * Any measured amount of time will include the exit latency.
401          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
402          * was completed, we must substract the exit latency. However, if
403          * the measured amount of time is less than the exit latency,
404          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
405          */
406         if (unlikely(!(target->flags & CPUIDLE_FLAG_TIME_VALID))) {
407                 /* Use timer value as is */
408                 measured_us = data->next_timer_us;
409
410         } else {
411                 /* Use measured value */
412                 measured_us = cpuidle_get_last_residency(dev);
413
414                 /* Deduct exit latency */
415                 if (measured_us > target->exit_latency)
416                         measured_us -= target->exit_latency;
417
418                 /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
419                 if (measured_us > data->next_timer_us)
420                         measured_us = data->next_timer_us;
421         }
422
423         /* Update our correction ratio */
424         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
425         new_factor -= new_factor / DECAY;
426
427         if (data->next_timer_us > 0 && measured_us < MAX_INTERESTING)
428                 new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
429         else
430                 /*
431                  * we were idle so long that we count it as a perfect
432                  * prediction
433                  */
434                 new_factor += RESOLUTION;
435
436         /*
437          * We don't want 0 as factor; we always want at least
438          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
439          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
440          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
441          */
442         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
443                 new_factor = 1;
444
445         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
446
447         /* update the repeating-pattern data */
448         data->intervals[data->interval_ptr++] = measured_us;
449         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
450                 data->interval_ptr = 0;
451 }
452
453 /**
454  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
455  * @drv: cpuidle driver
456  * @dev: the CPU
457  */
458 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
459                                 struct cpuidle_device *dev)
460 {
461         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
462         int i;
463
464         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
465
466         /*
467          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
468          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
469          */
470         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
471                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
472
473         return 0;
474 }
475
476 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
477         .name =         "menu",
478         .rating =       20,
479         .enable =       menu_enable_device,
480         .select =       menu_select,
481         .reflect =      menu_reflect,
482         .owner =        THIS_MODULE,
483 };
484
485 /**
486  * init_menu - initializes the governor
487  */
488 static int __init init_menu(void)
489 {
490         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
491 }
492
493 postcore_initcall(init_menu);