CPU 进入 IDLE 都做了啥？

鸣涧

CPU 进入 IDLE 都做了啥？cpuidle framework

每一个 CPU 核心都会有一个 idle 进程，idle 进程是当系统没有调度 CPU 资源的时候，会进入 idle 进程，而 idle 进程的作用就是不使用 CPU，以此达到省电的目的。

在ARM64架构中，当CPU Idle时，会调用WFI指令(wait for interrupt)，关掉CPU的Clock以便降低功耗，当有外设中断触发时，CPU又会恢复回来。

cpuidle core 是 cpuidle framework 的核心模块，负责抽象出 cpuidle device、cpuidle driver 和 cpuidle governor 三个实体，如下所示：

cpuidle core 抽象出了 cpuidle device、cpuidle driver 和 cpuidle governor 三个数据结构。

数据结构cpuidle_device

针对每个CPU核都对应一个struct cpuidle_device结构，主要字段介绍如下

struct cpuidle_device {
//该cpu核是否注册进内核中
unsigned int  registered:1;
//该cpu核是否已经使能
unsigned int  enabled:1;
unsigned int  use_deepest_state:1;
//对应的cpu number
unsigned int  cpu;

//该cpu核上一次停留在cpuidle状态的时间（us）
int   last_residency;
//记录每个cpuidle状态的统计信息，包括是否使能、进入该cpuidle状态的次数，停留在该cpuidle状态的总时间（us）
struct cpuidle_state_usage states_usage[CPUIDLE_STATE_MAX];
  ......
};

对应的注册接口是 cpuidle_register_device。

cpuidle_driver

cpuidle driver用于驱动一个或多个CPU核，关键字段描述如下：

struct cpuidle_driver {
const char  *name;
struct module   *owner;
int                     refcnt;

//用于驱动注册时判断是否需要设置broadcast timer
unsigned int            bctimer:1;
//用于描述cpuidle的状态，需要按照功耗从大到小来排序，具体有多少个cpuidle状态
struct cpuidle_state states[CPUIDLE_STATE_MAX];
  ......
};

//CPU有多种不同的idle级别。这些idle级别有不同的功耗和延迟，从而可以在不同的场景下使用
//主要包括exit_latency、power_usage、target_residency。这些特性是governor制定idle策略的依据
struct cpuidle_state {
char  name[CPUIDLE_NAME_LEN];
char  desc[CPUIDLE_DESC_LEN];

unsigned int flags;
//CPU从该idle state下返回运行状态的延迟，单位为us。它决定了CPU在idle状态和run状态之间切换的效率，如果延迟过大，将会影响系统性能；
unsigned int exit_latency; /* in US */
//CPU在该idle state下的功耗，单位为mW
int  power_usage; /* in mW */
//期望的停留时间，单位为us。进入和退出idle state是需要消耗额外的能量的，如果在idle状态停留的时间过短，节省的功耗少于额外的消耗，则得不偿失。governor会根据该字段，结合当前的系统情况（如可以idle多久），选择idle level；
unsigned int target_residency; /* in US */
bool  disabled; /* disabled on all CPUs */

//进入该state的回调函数
int (*enter) (struct cpuidle_device *dev,
   struct cpuidle_driver *drv,
   int index);

//CPU长时间不需要工作时（称作offline），可调用该回调函数。
int (*enter_dead) (struct cpuidle_device *dev, int index);
  ......
};

对应的注册接口是 cpuidle_register_driver。

cpuidle_governor

governor 结构主要提供不同的回调函数，最终由 menu_governor 填充，主要字段如下：

struct cpuidle_governor {
char   name[CPUIDLE_NAME_LEN];
struct list_head  governor_list;
//governor的级别，正常情况下，kernel会选择系统中rating值最大的governor作为当前governor
unsigned int  rating;

  //在设备驱动注册和注销的时候调用
int  (*enable)  (struct cpuidle_driver *drv,
     struct cpuidle_device *dev);
void (*disable)  (struct cpuidle_driver *drv,
     struct cpuidle_device *dev);

//根据当前系统的运行状况，以及各个idle state的特性，选择一个state（即决策）
int  (*select)  (struct cpuidle_driver *drv,
     struct cpuidle_device *dev,
     bool *stop_tick);
//通过该回调函数，可以告知governor，系统上一次所处的idle state是哪个
void (*reflect)  (struct cpuidle_device *dev, int index);
};

对应的注册接口是 cpuidle_register_governor。

流程

我们先看下设备和驱动的注册过程：

注册之后便将设备和驱动建立起连接关系了，最终 cpuidle framework 的用户便可通过接口来调用下层的接口，进而完成具体的硬件操作。

下面看下 CPU 进入 idle 状态的流程图：

可以看出，最终是通过 PSCI 来实现 CPU 的 suspend。

PSCI

PSCI, Power State Coordination Interface，由ARM定义的电源管理接口规范，通常由Firmware来实现，而Linux系统可以通过smc/hvc指令来进入不同的Exception Level，进而调用对应的实现。

PSCI 支持如下功能：

• CPU hotplug (on/off)
• CPU idle (suspend/resume)
• System suspend/resume
• System shutdown and reset
  

每个功能和ATF之间的调用接口如下所示：