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在计算机系统中,CPU的功能是执行程序,总结起来就是我们在教科书上学到的:取指、译码、执行。那么问题来了,如果没有程序要执行,CPU要怎么办?也许您会说,停掉就是了啊。确实,是要停掉,但何时停、怎么停,却要仔细斟酌,因为实际的软硬件环境是非常复杂的。
我们回到Linux kernel上,Linux系统中,CPU被两类程序占用:一类是进程(或线程),也称进程上下文;另一类是各种中断、异常的处理程序,也称中断上下文。
进程的存在,是用来处理事务的,如读取用户输入并显示在屏幕上。而事务总有处理完的时候,如用户不再输入,也没有新的内容需要在屏幕上显示。此时这个进程就可以让出CPU,但会随时准备回来(如用户突然有按键动作)。同理,如果系统没有中断、异常事件,CPU就不会花时间在中断上下文。
在Linux kernel中,这种CPU的无所事事的状态,被称作idle状态,而cpuidle framework,就是为了管理这种状态。
注:cpuidle framework系列文章会以ARM64作为示例平台,由于ARM64刚刚发布不久,较早版本的kernel没有相关的代码,因此选用了最新的3.18-rc4版本的kernel。
曾经有过一段时间,Linux kernel的cpu idle框架是非常简单的,简单到driver工程师只需要在“include\asm-arm\arch-xxx\system.h”中定义一个名字为arch_idle的inline函数,并在该函数中调用kernel提供的cpu_do_idle接口,就Okay了,剩下的实现kernel全部帮我们做了,如下:
1: static inline void arch_idle(void)
2: {
3: cpu_do_idle();
4: }
以蜗蜗之前使用过的一个ARM926的单核CPU为例(内核版本为Linux2.6.23),cpuidle的处理过程是:
B start_kernel(arch\arm\kernel\head-common.S)
start_kernel->rest_init(init\main.c)
;系统初始化完成后,将第一个进程(init)变为idle进程,
;以下都是在进程的循环中,周而复始…
cpu_idle->default_idle(arch\arm\kernel\process.c)
arch_idle(include\asm-arm\arch-xxx\system.h)
cpu_do_idle(include/asm-arm/cpu-single.h)
cpu_arm926_do_idle(arch/arm/mm/proc-arm926.S)
mcr p15, 0, r0, c7, c0, 4 @ Wait for interrupt ;WFI指令
虽然简单,却包含了idle处理的两个重点:
1)idle进程
idle进程的存在,是为了解决“何时idle”的问题。
我们知道,Linux系统运行的基础是进程调度,而所有进程都不再运行时,称作cpu idle。但是,怎么判断这种状态呢?kernel采用了一个比较简单的方法:在init进程(系统的第一个进程)完成初始化任务之后,将其转变为idle进程,由于该进程的优先级是最低的,所以当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。
“ARM WFI和WFE指令”中介绍过,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。
2)WFI
WFI用于解决“怎么idle”的问题。
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,可参考“ARM WFI和WFE指令”)会把ARM core的clock关闭,以节省功耗。
也许您会觉得,上面的过程挺好了,为什么还要开发cpuide framework?蜗蜗的理解是:
ARM CPU的设计越来越复杂,对省电的要求也越来越苛刻,因而很多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。
而软件则需要根据应用场景,在恰当的时候,选择一个合适的idle状态。而选择的策略是什么,就不是那么简单了。这就是cpuidle framework的存在意义(我们可以根据下面cpuidle framework的软件架构,佐证这一点)。
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。
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: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的解释可能有点抽象,把它放到cpuidle的场景里面,就很容易理解了:
前面讲过,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governors/目录下。
在阅读本章之前,还请读者先阅读如下三篇文章:
“Linux cpuidle framework(2)_cpuidle core”
前面提到过,kernel会在系统启动完成后,在init进程(或线程)中,处理cpuidle相关的事情。大致的过程是这样的(kernel启动相关的分析,会在其它文章中详细介绍):
首先需要说明的是,在SMP(多核)系统中,CPU启动的过程是:
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
上面的代码位于./arch/arm64/kernel/head.S、init/main.c等等,感兴趣的读者可以自行参考。最终都会殊途同归,运行至cpu_startup_entry接口,该接口位于kernel/sched/idle.c中,负责处理CPU idle的事情,流程如下(暂时忽略一些比较难理解的分支,如cpu idle poll等)。
cpu_startup_entry流程:
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
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,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
具体的代码比较简单,不再分析了,但有一点,还需要着重说明一下:
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。
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