一、Linux cpuidle framework(1)_概述和软件架构

1. 在Linux kernel中，所有进程都不再运行时，即CPU的无所事事，这种状态被称作idle状态，而cpuidle framework，就是为了管理这种状态。

2. 当idle进程被调度到时，则说明系统的其它进程不再运行了，也即CPU idle了。最终，由idle进程调用idle指令（这里为WFI），让CPU进入idle状态。
WFI Wakeup events会把CPU从WFI状态唤醒，通常情况下，这些events是一些中断事件，因此CPU唤醒后会执行中断handler，在handler中会wakeup某些进程，在handler返回的时候进行调度，当没有其他进程需要调度执行的时候，调度器会恢复idle进程的执行，当然，idle进程不做什么，继续进入idle状态，等待下一次的wakeup。

3. 一般情况下，ARM CPU idle时，可以使用WFI指令，把CPU置为Wait for interrupt状态。该状态下，至少（和具体ARM core的实现有关）会把ARM core的clock关闭，以节省功耗。

4. 很多CPU会从“退出时的延迟”和“idle状态下的功耗”两个方面考虑，设计多种idle级别。对延迟较敏感的场合，可以使用低延迟、高功耗的idle；对延迟不敏感的场合，可以使用高延迟、低功耗的idle。在恰当的时候，选择一个合适的idle状态，这就是cpuidle framework的存在意义。

5. 软件架构
Linux kernel中，cpuidle framework位于“drivers/cpuidle”文件夹中，包含cpuidle core、cpuidle governors和cpuidle drivers三个模块，再结合位于kernel sched中的cpuidle entry，共同完成cpu的idle管理。软件架构如下图：

(1) kernel schedule模块
位于kernel\sched\idle.c中，负责实现idle线程的通用入口（cpuidle entry）逻辑，包括idle模式的选择、idle的进入等等。这个文件其实就是初始化了一个
struct seched_class idle_seched_class 调度类。

(2) cpuidle core
cpuidle core负责实现cpuidle framework的整体框架，主要功能包括：

根据cpuidle的应用场景，抽象出cpuidle device、cpuidle driver、cpuidle governor三个实体；
以函数调用的形式，向上层sched模块提供接口；
以sysfs的形式，向用户空间提供接口；
向下层的cpuidle drivers模块，提供统一的driver注册和管理接口；
向下层的governors模块，提供统一的governor注册和管理接口。

cpuidle core的代码主要包括drivers/cpuidle下的：cpuidle.c、driver.c、governor.c、sysfs.c。

(3) cpuidle drivers
负责idle机制的实现，即：如何进入idle状态，什么条件下会退出，等等。不同的architecture、不同的CPU core，会有不同的cpuidle driver，平台驱动的开发者，可以在cpuidle core提供的框架之下，开发自己的cpuidle driver。代码主要包括：cpuidle-xxx.c。

(4) cpuidle governors
Linux kernel的framework有两种比较固定的抽象模式：
模式1：provider/consumer模式，interrupt、clock、timer、regulator等大多数的framework是这种模式。它的特点是，这个硬件模块是为其它一个或多个模块服务的，因而framework需要从对上（consumer）和对下（provider）两个角度进行软件抽象；
模式2：driver/governor模式，本文所描述的cpuidle framework即是这种模式。它的特点是：硬件（或者该硬件所对应的驱动软件）可以提供多种可选“方案”（这里即idle level），“方案”的实现（即机制），由driver负责，但是到底选择哪一种“方案”（即策略），则由另一个模块负责（即这里所说的governor）。

模式2的cpuidle的场景里面：很多CPU提供了多种idle级别（即上面所说的“方案”），这些idle 级别的主要区别是“idle时的功耗”和“退出时延迟”。cpuidle driver（机制）负责定义这些idle状态（每一个状态的功耗和延迟分别是多少），并实现进入和退出相关的操作。最终，cpuidle driver会把这些信息告诉governor，由governor根据具体的应用场景，决定要选用哪种idle状态（策略）。

kernel中，cpuidle governor都位于drivers/cpuidle/governors/目录下（Qcom的位于dirvers/cpuidle/lpm_levels.c中，cpuidle driver也是实现在这个文件中了）。

6. 软件流程
kernel会在系统启动完成后，在init进程中，处理cpuidle相关的事情。大致的过程是这样的：
(1) 先启动主CPU，启动过程和传统的单核系统类似：stext --> start_kernel --> rest_init --> cpu_startup_entry
(2) 启动其它CPU，可以有多种方式，例如CPU hotplug等，启动过程为：secondary_startup --> __secondary_switched --> secondary_start_kernel --> cpu_startup_entry

cpu_startup_entry接口位于kernel/sched/idle.c中，负责处理CPU idle的事情，流程如下:

cpu_startup_entry 
        arch_cpu_idle_prepare //进行idle前的准备工作，ARM64中没有实现 
        cpu_idle_loop //进入cpuidle的主循环while(1) do_idle();
                如果系统当前不需要调度（!need_resched()），执行后续的动作 
                local_irq_disable //关闭irq中断 
                arch_cpu_idle_enter //arch相关的cpuidle enter，ARM64中没有实现 
                cpuidle_idle_call //main idle function 
                        cpuidle_select //通过cpuidle governor->select()，选择一个cpuidle state 
                        cpuidle_enter //通过cpuidle state，进入该idle状态 
                        … 
                        中断产生，idle返回（注意，此时irq是被禁止的，因此CPU不能响应产生中断的事件） 
                        cpuidle_reflect //通知cpuidle governor，更新状态 
                        local_irq_enable //使能中断，响应中断事件，跳转到对应的中断处理函数 
                        …                         
                arch_cpu_idle_exit //和enter类似，ARM64没有实现 

7. 使用cpuidle framework进入idle状态时，本地irq是处于关闭的状态，因此从idle返回时，只能接着往下执行，直到irq被打开，才能执行相应的中断handler。这和之前传统的cpuidle不同。同时也间接证实了“Linux cpuidle framework(4)_menu governor”中所提及的，为什么menu governor在reflect接口中只是简单的置一个标志。因为reflect是在关中断时被调用的，需要尽快返回，以便处理中断事件。

8. 若内核模块参数sleed_disabled为Y时，CPU将无法进入低功耗的idle模式，原理如下：

Qcom的module_parameter(sleep_disabled)会创建sysfs文件节点

write /sys/module/lpm_levels/parameters/sleep_disabled N  //若是Y的话，CPU不能进入低功耗模式，原理如下：

# cat /sys/devices/system/cpu/cpuidle/current_driver
msm_idle
# cat /sys/devices/system/cpu/cpuidle/current_governor_ro
qcom

在系统进入idle时调用governor->select()，即下面这个governor

static struct cpuidle_governor lpm_governor = {
 .name =  "qcom",
 .rating = 30,
 .select = lpm_cpuidle_select,
};

cpu_startup_entry 
    while (1) do_idle(); //init线程处理完后就在这死循环一直尝试进入idle状态
        cpuidle_idle_call //kernel\sched\idle.c
            next_state = cpuidle_select(drv, dev, &stop_tick); //调用governor->select()
                lpm_cpuidle_select
                    cpu_power_select(dev, cpu); //drivers\cpuidle\lpm-levels.c
                        if (lpm_disallowed(sleep_us, dev->cpu, cpu)) //这个函数中：if (sleep_disabled) return true;
                            goto done_select; //此时返回的best_level为0，也即是next_state为0
        call_cpuidle(drv, dev, next_state); //kernel\sched\idle.c
            cpuidle_enter(drv, dev, next_state); //drivers\cpuidle\cpuidle.c
            struct cpuidle_state *target_state = &drv->states[index]; //选择的index就一直是0，应该就是state0,即wfi.

# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpuidle/state0/desc
wfi

 

 

 

 

参考：http://www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_overview.html