1. CPU Idle有什么用？

答案就是“省電”，當多核CPU沒有任務執(zhí)行的時候，這時候需要將除主Core之外的其他Core進行低功耗處理，這件事就是CPU Idle機制做的。

idle狀態(tài): 在Linux kernel中，當cpu中沒有任務在執(zhí)行，也沒有任何中斷、異常信號過來的時候，我們稱為處于idle狀態(tài)，針對這種狀態(tài)Linux設計了一套cpuidle framework框架，專門用于cpuidle的管理。

Linux系統(tǒng)初始化時會為每個cpu創(chuàng)建一個idle線程，當沒有其他進程需要運行的時候，便運行idle線程。

對于不同的功耗及恢復時間的要求，可以根據芯片硬件支持的情況定義多種idle狀態(tài)，這些狀態(tài)按功耗從低到高（對應著恢復時間從少到多）排列，利用linux提供的cpuidle框架，用戶選用不同的idle策略。這么做的目的就是盡可能在不影響性能的前提下，減少功耗。

在ARM64架構中，至少會提供一個wfi的idle狀態(tài)，有些芯片可能還會提供core下電的idle狀態(tài)。當CPU idle時，根據預測的idle時間、功耗受益大小、恢復的時間長短，選用一個idle狀態(tài)，比如進入wfi，關掉CPU的arch timer以便降低功耗，當有中斷觸發(fā)時，CPU又會恢復回來。

2. CPU Idle整體框架

首先是CPUIdle子系統(tǒng)通過sysfs向userspace提供的節(jié)點：

一類是針對整個系統(tǒng)的/sys/devices/system/cpu/cpuidle，通過其中的current_driver、current_governor、available_governors等節(jié)點可以獲取或設置CPUIdle的驅動信息以及governor。

一類是針對每個CPU的/sys/devices/system/cpu/cpux/cpuidle，通過子節(jié)點暴露各個在線的CPU中每個不同Idle級別的name、desc、power、latency等信息。

什么時候進入idle？

關閉一些核可以節(jié)省功耗，但關閉之后對時延(性能)必會造成一定的影響，如果在關閉之后很短的時間內就被喚醒，那么就會造成功耗/性能雙方都不討好，在進入退出idle的過程中也是會有功耗的損失的，如果在idle狀態(tài)下面節(jié)省的功耗還無法彌補進入退出該idle的功耗，那么反而會得不償失。

--解決方法就是：策略。是由cpuidle framework會根據不同的場景來進行仲裁選擇使用何種的idle狀態(tài)。

在kernel中cpuidle framework主體包含三個模塊，分別為cpuidle core、cpuidle governors和cpuidle drivers，

cpu idle core：負責整體框架，同時負責和sched模塊對接，當調度器發(fā)現沒有任務在執(zhí)行時候，就切換到idle進程，通知到cpuidle framework的cpuidle core模塊要做接下來的idle操作。向cpuidle driver/governors模塊提供統(tǒng)一的driver和governors注冊和管理接口，向用戶空間程序提供governor選擇的接口。

cpuidle driver：負責具體idle機制的實現（不同等級下面idle的指標也是在這個模塊進行填充），不同的平臺會有不同的drivers實現。

cpudile governors：在這個模塊進行cpuidle的選擇，選擇的算法主要是基于切換的功耗代價和系統(tǒng)的延遲容忍度，電源管理的目標就是在保證延遲在系統(tǒng)可以接受的范圍內盡可能的節(jié)省功耗。

3. Idle狀態(tài)判斷

在Linux系統(tǒng)啟動的時候，會在每個cpu上創(chuàng)建對應的idle進程，start_kernel()函數初始化內核需要的所有數據結構，并創(chuàng)建一個名為init的進程（pid=1），當init進程創(chuàng)建完后，cpu的idle進程處于cpu_idle_loop()無限循環(huán)中，當沒有其他進程處于TASK_RUNNING狀態(tài)時候，調度器才會執(zhí)行cpu idle線程，讓cpu進入idle模式.其函數調用關系簡要概括如下：

start_kernel –> rest_init –> cpu_startup_entry， 在cpu_startup_entry這個函數中，最終程序會進入無限循環(huán)do_idle loop中。

這里我們又進入看代碼環(huán)節(jié)，可以參考公眾號之前的文章# Linux驅動-IMX6ULL開發(fā)板qemu環(huán)境搭建，我們修改好qemu啟動腳本加-s -S后，在VS中打斷點，進行代碼查看。

cpu_idle_loop（）函數中會不斷的進行輪詢判斷

while (1) {
    ...
    if (cpu_is_offline(cpu)) {
            cpuhp_report_idle_dead();
            arch_cpu_idle_dead();
    }

    local_irq_disable();
    arch_cpu_idle_enter();
    ...
}

3. cpuidle core

cpuidle core抽象出了三個數據結構：

cpuidle device：用于描述CPU核的cpuidle設備。

cpuidle driver：用于描述CPU核的cpuidle驅動。

cpuidle governor：主要根據cpuidle的device和driver狀態(tài)來選擇策略。

以cpuidle-pcsi.c為例，整個cpuidle注冊流程如下圖：

4. 注冊初始化

cpuidle初始化包括governor注冊、驅動注冊和設備注冊三部分

4.1 cpuidle governor注冊

cpuidle governor在cpuidle驅動和設備之前注冊，內核使用一個鏈表維護系統(tǒng)中所有已注冊的governor。當前新版內核一共支持ladder、menu、teo和haltpoll四種governor，它們都通過調用cpuidle_register_governor函數將自身注冊到系統(tǒng)中。

Haltpoll governor：它是用于優(yōu)化虛擬機性能的一種cpuidle governor。其原理為當vcpu進入idle時，通過guest端執(zhí)行poll操作，以避免使其陷入host中。它的優(yōu)點是減少了vm切換和通過ipi喚醒vcpu的成本，但它也造成在guest睡眠時，host無法復用該vcpu對應的物理cpu，從而降低系統(tǒng)吞吐量的問題。

Ladder governor：該governor通過cpu前一次idle狀態(tài)的駐留時間是否超過該state延遲時間一個特定的值（promotion_time_ns），以及下一個state的延遲時間是否超過系統(tǒng)延遲容忍度，來確定是否需要提升idle state。由于該governor每次只能提升一個state，因此其state提升方式就像梯子一樣逐級往上，這也是它的名字由來。它往往用于periodic timer tick system。

Menu governor：直接選擇可能滿足需求的最深休眠態(tài)，就好像你拿著菜單（menu）選菜一樣。如果深度的idle state更好，那么就會直接進入到深度的idle state。

Teo governor：采用的策略跟menu governor一樣，都是預測接下來會有多長時間能待在idle狀態(tài)，然后據此選擇合適的idle mode。不過它跟menu governor考慮多方因素的策略是不同的。teo的理念是，多數系統(tǒng)上CPU喚醒最頻繁的喚醒源都是timer events，而不是設備中斷(device interrupts)。timer中斷的數量要比其他中斷高幾個數量級。所以只要依據timer event就可以做好預測工作了。

4.2 cpuidle driver注冊

cpuidle驅動注冊流程比較簡單，它主要包含以下三部分內容

idle state相關參數設置、以及可能的broadcast timer

若設置了local-timer-stop屬性，則為每個cpu設置相應的broadcast timer

若為該driver指定了governor，則切換current governor

cpuidle driver的主要工作是定義所支持的cpuidle state，以及state的enter接口，如下面所示，cpudile driver就要負責將平臺定義的idle-state信息填充到這個結構體中

4.3 cpuidle device注冊

cpuidle設備注冊主要包括初始化一些參數值，將該設備添加到全局設備鏈表中，然后為其初始化sysfs屬性和使能該設備。

注冊之后，cpuidle設備、cpuidle驅動及governor之間建立起了連接，最終系統(tǒng)經由cpuidle framework，通過接口來調用下層的接口，進而完成具體的硬件操作。

在現在的SMP系統(tǒng)中，每個cpu core都會有一個對應的cpuidle device，內核是通過使用struct cpuidle_device抽象cpuidle device,該結構體主要成員含義如下：

lenabled：設備是否已經使能 lcpu:該device對應的cpu number llast_residency:該設備上一次停留在idle狀態(tài)的時間 lstates_usage:記錄了該設備的每個idle state的統(tǒng)計信息

5.cpuidle觸發(fā)流程

Idle task通過cpu_startup_entry為入口，調用到cpuidle_framework，流程如下圖：

cpu啟動完成時，會通過cpu_startup_entry函數將其自身切換到idle線程。除此之外，當某個cpu上沒有可運行線程時，也會切換idle線程（上流程沒畫出，后面梳理進程調度的時候再細講）。切換idle線程后，最終都會執(zhí)行idle線程的主函數do_idle，并最終通過該函數將cpu設置為特定的idle state。

其中governor中的select、reflect函數是cpuidle的核心功能，決定了cpuidle狀態(tài)的選擇策略。

審核編輯：劉清