CPU進(jìn)入idle進(jìn)程狀態(tài)的流程

cpuidle framework

每一個(gè) CPU 核心都會(huì)有一個(gè) idle 進(jìn)程，idle 進(jìn)程是當(dāng)系統(tǒng)沒有調(diào)度 CPU 資源的時(shí)候，會(huì)進(jìn)入 idle 進(jìn)程，而 idle 進(jìn)程的作用就是不使用 CPU，以此達(dá)到省電的目的。

在ARM64架構(gòu)中，當(dāng)CPU Idle時(shí)，會(huì)調(diào)用WFI指令(wait for interrupt)，關(guān)掉CPU的Clock以便降低功耗，當(dāng)有外設(shè)中斷觸發(fā)時(shí)，CPU又會(huì)恢復(fù)回來。

cpuidle core 是 cpuidle framework 的核心模塊，負(fù)責(zé)抽象出 cpuidle device、cpuidle driver 和 cpuidle governor 三個(gè)實(shí)體，如下所示：

cpuidle core 抽象出了 cpuidle device、cpuidle driver 和 cpuidle governor 三個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

cpuidle_device

針對(duì)每個(gè)CPU核都對(duì)應(yīng)一個(gè)struct cpuidle_device結(jié)構(gòu)，主要字段介紹如下

structcpuidle_device{
//該cpu核是否注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核中
unsignedintregistered:1;
//該cpu核是否已經(jīng)使能
unsignedintenabled:1;
unsignedintuse_deepest_state:1;
//對(duì)應(yīng)的cpunumber
unsignedintcpu;

//該cpu核上一次停留在cpuidle狀態(tài)的時(shí)間（us）
intlast_residency;
//記錄每個(gè)cpuidle狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)信息，包括是否使能、進(jìn)入該cpuidle狀態(tài)的次數(shù)，停留在該cpuidle狀態(tài)的總時(shí)間（us）
structcpuidle_state_usagestates_usage[CPUIDLE_STATE_MAX];
......
};

對(duì)應(yīng)的注冊(cè)接口是 cpuidle_register_device。

cpuidle_driver

cpuidle driver用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)CPU核，關(guān)鍵字段描述如下：

structcpuidle_driver{
constchar*name;
structmodule*owner;
intrefcnt;

//用于驅(qū)動(dòng)注冊(cè)時(shí)判斷是否需要設(shè)置broadcasttimer
unsignedintbctimer:1;
//用于描述cpuidle的狀態(tài)，需要按照功耗從大到小來排序，具體有多少個(gè)cpuidle狀態(tài)
structcpuidle_statestates[CPUIDLE_STATE_MAX];
......
};

//CPU有多種不同的idle級(jí)別。這些idle級(jí)別有不同的功耗和延遲，從而可以在不同的場(chǎng)景下使用
//主要包括exit_latency、power_usage、target_residency。這些特性是governor制定idle策略的依據(jù)
structcpuidle_state{
charname[CPUIDLE_NAME_LEN];
chardesc[CPUIDLE_DESC_LEN];

unsignedintflags;
//CPU從該idle state下返回運(yùn)行狀態(tài)的延遲，單位為us。它決定了CPU在idle狀態(tài)和run狀態(tài)之間切換的效率，如果延遲過大，將會(huì)影響系統(tǒng)性能；
unsignedintexit_latency;/*inUS*/
//CPU在該idlestate下的功耗，單位為mW
intpower_usage;/*inmW*/
//期望的停留時(shí)間，單位為us。進(jìn)入和退出idle state是需要消耗額外的能量的，如果在idle狀態(tài)停留的時(shí)間過短，節(jié)省的功耗少于額外的消耗，則得不償失。governor會(huì)根據(jù)該字段，結(jié)合當(dāng)前的系統(tǒng)情況（如可以idle多久），選擇idle level；
unsignedinttarget_residency;/*inUS*/
booldisabled;/*disabledonallCPUs*/

//進(jìn)入該state的回調(diào)函數(shù)
int(*enter)(structcpuidle_device*dev,
structcpuidle_driver*drv,
intindex);

//CPU長(zhǎng)時(shí)間不需要工作時(shí)（稱作offline），可調(diào)用該回調(diào)函數(shù)。
int(*enter_dead)(structcpuidle_device*dev,intindex);
......
};

對(duì)應(yīng)的注冊(cè)接口是 cpuidle_register_driver。

cpuidle_governor

governor 結(jié)構(gòu)主要提供不同的回調(diào)函數(shù)，最終由 menu_governor 填充，主要字段如下：

structcpuidle_governor{
charname[CPUIDLE_NAME_LEN];
structlist_headgovernor_list;
//governor的級(jí)別，正常情況下，kernel會(huì)選擇系統(tǒng)中rating值最大的governor作為當(dāng)前governor
unsignedintrating;

//在設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)和注銷的時(shí)候調(diào)用
int(*enable)(structcpuidle_driver*drv,
structcpuidle_device*dev);
void(*disable)(structcpuidle_driver*drv,
structcpuidle_device*dev);

//根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以及各個(gè)idlestate的特性，選擇一個(gè)state（即決策）
int(*select)(structcpuidle_driver*drv,
structcpuidle_device*dev,
bool*stop_tick);
//通過該回調(diào)函數(shù)，可以告知governor，系統(tǒng)上一次所處的idlestate是哪個(gè)
void(*reflect)(structcpuidle_device*dev,intindex);
};

對(duì)應(yīng)的注冊(cè)接口是 cpuidle_register_governor。

流程

我們先看下設(shè)備和驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)過程：

注冊(cè)之后便將設(shè)備和驅(qū)動(dòng)建立起連接關(guān)系了，最終 cpuidle framework 的用戶便可通過接口來調(diào)用下層的接口，進(jìn)而完成具體的硬件操作。

下面看下 CPU 進(jìn)入 idle 狀態(tài)的流程圖：

可以看出，最終是通過 PSCI 來實(shí)現(xiàn) CPU 的 suspend。

PSCI

PSCI, Power State Coordination Interface，由ARM定義的電源管理接口規(guī)范，通常由Firmware來實(shí)現(xiàn)，而Linux系統(tǒng)可以通過smc/hvc指令來進(jìn)入不同的Exception Level，進(jìn)而調(diào)用對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

PSCI 支持如下功能：

CPU hotplug (on/off)

CPU idle (suspend/resume)

System suspend/resume

System shutdown and reset

每個(gè)功能和ATF之間的調(diào)用接口如下所示：

審核編輯：劉清