CPU进入idle进程状态的流程

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

structcpuidle_device{
//该cpu核是否注册进内核中
unsignedintregistered:1;
//该cpu核是否已经使能
unsignedintenabled:1;
unsignedintuse_deepest_state:1;
//对应的cpunumber
unsignedintcpu;

//该cpu核上一次停留在cpuidle状态的时间（us）
intlast_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）
structcpuidle_state_usagestates_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：

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

//用于驱动注册时判断是否需要设置broadcasttimer
unsignedintbctimer: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
structcpuidle_statestates[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
structcpuidle_state{
charname[CPUIDLE_NAME_LEN];
chardesc[CPUIDLE_DESC_LEN];

unsignedintflags;
//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；
unsignedintexit_latency;/*inUS*/
//CPU在该idlestate下的功耗，单位为mW
intpower_usage;/*inmW*/
//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；
unsignedinttarget_residency;/*inUS*/
booldisabled;/*disabledonallCPUs*/

//进入该state的回调函数
int(*enter)(structcpuidle_device*dev,
structcpuidle_driver*drv,
intindex);

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

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：

structcpuidle_governor{
charname[CPUIDLE_NAME_LEN];
structlist_headgovernor_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
unsignedintrating;

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

//根据当前系统的运行状况，以及各个idlestate的特性，选择一个state（即决策）
int(*select)(structcpuidle_driver*drv,
structcpuidle_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idlestate是哪个
void(*reflect)(structcpuidle_device*dev,intindex);
};

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：

审核编辑：刘清