Linux 内核开发 25 - 中的 cpuidle subsystem 介绍

Linux 内核中的 cpuidle subsystem 是负责管理 CPU 的空闲状态的子系统。
它的工作原理如下:

1. 空闲状态检测:
   - cpuidle 子系统会持续监控 CPU 的使用情况,一旦检测到 CPU 处于空闲状态,就会尝试进入低功耗模式。

2. 空闲状态选择:
   - cpuidle 子系统会根据当前 CPU 的状态和系统的需求,选择最合适的低功耗状态。低功耗状态包括 C1、C2、C3 等不同的睡眠状态,功耗和唤醒时间各不相同。

3. 空闲状态进入:
   - cpuidle 子系统会调用特定的 CPU 指令将 CPU 切换到选择的低功耗状态。这需要先保存 CPU 的上下文,然后再进入低功耗模式。

4. 空闲状态退出:
   - 当 CPU 从低功耗状态被唤醒时,cpuidle 子系统会负责恢复 CPU 的上下文,使 CPU 恢复到正常工作状态。

5. 动态调整:
   - cpuidle 子系统会根据系统的负载情况动态调整 CPU 的低功耗状态,以在性能和功耗之间达到平衡。

6. 驱动支持:
   - cpuidle 子系统提供了标准的 API,供不同的 CPU 体系结构的驱动程序实现具体的低功耗状态管理。

总的来说, cpuidle 子系统是 Linux 内核中实现 CPU 电源管理的重要组件,通过动态检测 CPU 的使用状态,选择合适的低功耗状态,并提供统一的管理接口,从而提高系统的能源效率。

cpuidle 子系统在 Linux 内核中提供了一系列的 API 供驱动程序开发者使用,主要包括:

1. 注册和注销 cpuidle 驱动程序:
   - `cpuidle_register_driver()` 和 `cpuidle_unregister_driver()`

2. cpuidle 状态管理:
   - `cpuidle_register_state()` 和 `cpuidle_unregister_state()`
   - 用于注册和注销特定的 CPU 低功耗状态

3. CPU 进入/退出低功耗状态:
   - `cpuidle_enter_state()` 
   - 用于将 CPU 切换到指定的低功耗状态
   - `cpuidle_reflect()`
   - 用于从低功耗状态唤醒 CPU 并恢复上下文

4. CPU 空闲时间监控:
   - `cpuidle_get_idle_time()`
   - 获取 CPU 从进入低功耗状态到被唤醒所经过的时间

5. 操作系统感知:
   - `cpuidle_use_deepest_state()`
   - 允许操作系统建议使用最深度的低功耗状态

6. CPU Hotplug 支持:
   - `cpuidle_online()` 和 `cpuidle_offline()`
   - 支持在 CPU Hotplug 时动态管理 cpuidle 状态

这些 API 为 CPU 体系结构的驱动程序提供了标准化的接口,可以更容易地集成到 Linux 内核的电源管理子系统中。驱动程序只需要实现特定的 CPU 低功耗状态的处理逻辑,就可以被 cpuidle 子系统管理和调度。

好的,根据 cpuidle 子系统的工作原理，一个简单的工作流程图:

工作流程图描述如下:

1. 检测 CPU 空闲:cpuidle 子系统会持续监控 CPU 的使用情况,一旦检测到 CPU 处于空闲状态,就会进入下一步。

2. 选择低功耗状态:cpuidle 子系统会根据当前 CPU 的状态和系统的需求,选择最合适的低功耗状态,例如 C1、C2、C3 等。

3. 进入低功耗状态:cpuidle 子系统会调用特定的 CPU 指令将 CPU 切换到选择的低功耗状态,需要先保存 CPU 的上下文。

4. 等待中断唤醒:CPU 进入低功耗状态后会等待外部中断唤醒。

5. 恢复 CPU 上下文:当 CPU 从低功耗状态被唤醒时,cpuidle 子系统会负责恢复 CPU 的上下文,使 CPU 恢复到正常工作状态。

6. 返回检测 CPU 空闲:恢复 CPU 上下文后,cpuidle 子系统会再次回到检测 CPU 空闲的步骤,进行下一轮的调度。

这个工作流程图展示了 cpuidle 子系统的基本工作流程,包括检测 CPU 空闲、选择低功耗状态、进入/退出低功耗状态等关键步骤。通过这种方式,cpuidle 子系统可以动态管理 CPU 的功耗,提高系统的能源效率。

cpuidle深度理解思考：
https://lwn.net/Kernel/Index/#Power_management-cpuidle

The cpuidle subsystem (April 26, 2010)
Improving idle behavior in tickless systems (December 28, 2018)
The weighted TEO cpuidle governor (May 14, 2020)
The pseudo cpuidle driver (May 21, 2020)
The deadline scheduler and CPU idle states (May 22, 2020)