cpuidle framework

每一個 CPU 核心都會有一個 idle 進程，idle 進程是當系統沒有調度 CPU 資源的時候，會進入 idle 進程，而 idle 進程的作用就是不使用 CPU，以此達到省電的目的。

在ARM64架構中，當CPU Idle時，會調用WFI指令(wait for interrupt)，關掉CPU的Clock以便降低功耗，當有外設中斷觸發時，CPU又會恢復回來。

cpuidle core 是 cpuidle framework 的核心模塊，負責抽象出 cpuidle device、cpuidle driver 和 cpuidle governor 三個實體，如下所示：

cpuidle core 抽象出了 cpuidle device、cpuidle driver 和 cpuidle governor 三個數據結構。

數據結構

cpuidle_device

針對每個CPU核都對應一個struct cpuidle_device結構，主要字段介紹如下

structcpuidle_device{
//該cpu核是否注冊進內核中
unsignedintregistered:1;
//該cpu核是否已經使能
unsignedintenabled:1;
unsignedintuse_deepest_state:1;
//對應的cpunumber
unsignedintcpu;

//該cpu核上一次停留在cpuidle狀態的時間（us）
intlast_residency;
//記錄每個cpuidle狀態的統計信息，包括是否使能、進入該cpuidle狀態的次數，停留在該cpuidle狀態的總時間（us）
structcpuidle_state_usagestates_usage[CPUIDLE_STATE_MAX];
......
};

對應的注冊接口是 cpuidle_register_device。

cpuidle_driver

cpuidle driver用于驅動一個或多個CPU核，關鍵字段描述如下：

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

//用于驅動注冊時判斷是否需要設置broadcasttimer
unsignedintbctimer:1;
//用于描述cpuidle的狀態，需要按照功耗從大到小來排序，具體有多少個cpuidle狀態
structcpuidle_statestates[CPUIDLE_STATE_MAX];
......
};

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

unsignedintflags;
//CPU從該idle state下返回運行狀態的延遲，單位為us。它決定了CPU在idle狀態和run狀態之間切換的效率，如果延遲過大，將會影響系統性能；
unsignedintexit_latency;/*inUS*/
//CPU在該idlestate下的功耗，單位為mW
intpower_usage;/*inmW*/
//期望的停留時間，單位為us。進入和退出idle state是需要消耗額外的能量的，如果在idle狀態停留的時間過短，節省的功耗少于額外的消耗，則得不償失。governor會根據該字段，結合當前的系統情況（如可以idle多久），選擇idle level；
unsignedinttarget_residency;/*inUS*/
booldisabled;/*disabledonallCPUs*/

//進入該state的回調函數
int(*enter)(structcpuidle_device*dev,
structcpuidle_driver*drv,
intindex);

//CPU長時間不需要工作時（稱作offline），可調用該回調函數。
int(*enter_dead)(structcpuidle_device*dev,intindex);
......
};

對應的注冊接口是 cpuidle_register_driver。

cpuidle_governor

governor 結構主要提供不同的回調函數，最終由 menu_governor 填充，主要字段如下：

structcpuidle_governor{
charname[CPUIDLE_NAME_LEN];
structlist_headgovernor_list;
//governor的級別，正常情況下，kernel會選擇系統中rating值最大的governor作為當前governor
unsignedintrating;

//在設備驅動注冊和注銷的時候調用
int(*enable)(structcpuidle_driver*drv,
structcpuidle_device*dev);
void(*disable)(structcpuidle_driver*drv,
structcpuidle_device*dev);

//根據當前系統的運行狀況，以及各個idlestate的特性，選擇一個state（即決策）
int(*select)(structcpuidle_driver*drv,
structcpuidle_device*dev,
bool*stop_tick);
//通過該回調函數，可以告知governor，系統上一次所處的idlestate是哪個
void(*reflect)(structcpuidle_device*dev,intindex);
};

對應的注冊接口是 cpuidle_register_governor。

流程

我們先看下設備和驅動的注冊過程：

注冊之后便將設備和驅動建立起連接關系了，最終 cpuidle framework 的用戶便可通過接口來調用下層的接口，進而完成具體的硬件操作。

下面看下 CPU 進入 idle 狀態的流程圖：

可以看出，最終是通過 PSCI 來實現 CPU 的 suspend。

PSCI

PSCI, Power State Coordination Interface，由ARM定義的電源管理接口規范，通常由Firmware來實現，而Linux系統可以通過smc/hvc指令來進入不同的Exception Level，進而調用對應的實現。

PSCI 支持如下功能：

CPU hotplug (on/off)

CPU idle (suspend/resume)

System suspend/resume

System shutdown and reset

每個功能和ATF之間的調用接口如下所示：