内核功耗-idle

idle

CPU是用来计算的，如果CPU没事可干的话，Linux Kernel中称cpu这种状态为idle，而内核中的
cpuidle framework就是为了管理这种状态。

idle进程

CPU任何时候都是要执行进程的，把idle做成进程就可以和内核中当前的任务调度系统很自然的链接起来。
系统初始化之后，就会把第一个init进程变为idle进程，并把优先级设置成最低。
当idle进程被调用的时候，说明cpu已经没事可干了。

这样的话，如果要设置CPU状态的话，只需要在idle进程里面操作就可以了。
所以idle的整个逻辑就拆成了这么几步：

CPU支持哪些状态，这些状态通过什么途径上报给操作系统
操作系统基于什么策略选择让CPU进入什么状态
这些CPU状态的进入和退出，需要怎么执行

下面就围绕这个逻辑来展开。

CPU idle状态

cpu core根据功耗有不同的状态，ACPI定义了processor state，称为c state。
功耗越低唤醒延时越大。C0代表运行态，C1、C2、CX是具体的硬件实现，数字越大，睡眠程度越深。

后面ACPI又引入了Low Power Idle扩展，idle的状态不仅和core相关，也可以和系统中其它组件相关。

ARM64 cpu idle

ARM上cpu idle最初是通过WFI和WFE指令来实现的。
但是随着对时延要求的提高，CX state的引入，多级idle就自然而然产生了。
16年Linux Kernel也支持了ACPI LPI扩展。

linux kernel cpuidle framework

内核中的cpuidle框架逻辑视图如下：

开发视图如下:

整体逻辑

boot阶段

系统启动后，创建idle线程

runtime阶段

判断是否有任务调度
a. 如果有的话，就去做schedule调度
判断core有没有被offline，
a. 如果被offline，则执行cpu die相关流程
判断有没有使用cpuidle framework
a. 如果没有使用，则直接走default idle函数，执行wfi
如果使用了cpuidle framework，那接下来要调用cpuidle_select()，获取target state
a. cpuidle_select()，根据当前使用的governor，根据系统的pm qos，预期驻留时间/唤醒延时，判断target state
call_cpuidle()调用注册的driver进入target state
a. driver主要做的事情是，在初始化时，从ACPI/DTS中获取c state信息；调用psci、pcc等协议和通信接口
driver根据target state进入低功耗状态，有可能是idle、retention、shutdown等状态
a. 如果是retention，会处于wfi，上下文不丢失，唤醒后执行下一条指令
b. 如果是shutdown，会重新走resume流程

对于支持ACPI Low power idle的arm64来说，最后会调用acpi_idle_lpi_ender进入相应的idle状态，进而调用PSIC规范相关的函数psci_ops.cpu_suspend，
之后通过SMC指令调用UEFI中ARM TrustFirmware中的psci_cpu_suspend函数，从而进入厂商的plat_psci_ops_t中定义的相关函数。
完整调用栈如下：

linux kernel:
  do_idle
    cpuidle_idle_call
      cpuidle_select
        cpuidle_enter
      acpi_idle_lpi_enter
        acpi_processor_ffh_lpi_enter
          psci_cpu_suspend_enter
            psci_ops->cpu_suspend
          psci_0_2_cpu_suspend
            smc CPU_SUSPEND


trust firmware:
  psci_smc_handler
    psci_cpu_suspend
      cpu_standby
        plat_psci_ops_t->cpu_standby

测试验证

可以通过sysfs接口查看当前支持idle方式:

root@localhost:~# grep "" /sys/devices/system/cpu/cpuidle/*
/sys/devices/system/cpu/cpuidle/available_governors:ladder menu teo
/sys/devices/system/cpu/cpuidle/current_driver:none
/sys/devices/system/cpu/cpuidle/current_governor:menu
/sys/devices/system/cpu/cpuidle/current_governor_ro:menu

如果支持了LPI，则会看到：

sys/devices/system/cpu/cpuidle/low_power_idle_cpu_residency_us
sys/devices/system/cpu/cpuidle/low_power_idle_system_residency_us

负载测试

带负载的测试，可以参考ARM Neoverse平台的LPI测试方法。