1. CPU Idle有什么用？

答案就是“省電”，當多核CPU沒有任務執行的時候，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: 在Linux kernel中，當cpu中沒有任務在執行，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，針對這種狀態Linux設計了一套cpuidle framework框架，專門用于cpuidle的管理。

Linux系統初始化時會為每個cpu創建一個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，這些狀態按功耗從低到高（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，有些芯片可能還會提供core下電的idle狀態。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，比如進入wfi，關掉CPU的arch timer以便降低功耗，當有中斷觸發時，CPU又會恢復回來。

2. CPU Idle整體框架

首先是CPUIdle子系統通過sysfs向userspace提供的節點：

一類是針對整個系統的/sys/devices/system/cpu/cpuidle，通過其中的current_driver、current_governor、available_governors等節點可以獲取或設置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狀態下面節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。

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，當調度器發現沒有任務在執行時候，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的延遲容忍度，電源管理的目標就是在保證延遲在系統可以接受的范圍內盡可能的節省功耗。

3. Idle狀態判斷

在Linux系統啟動的時候，會在每個cpu上創建對應的idle進程，start_kernel()函數初始化內核需要的所有數據結構，并創建一個名為init的進程（pid=1），當init進程創建完后，cpu的idle進程處于cpu_idle_loop()無限循環中，當沒有其他進程處于TASK_RUNNING狀態時候，調度器才會執行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do_idle loop中。

這里我們又進入看代碼環節，可以參考公眾號之前的文章# Linux驅動-IMX6ULL開發板qemu環境搭建，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中。

Haltpoll governor：它是用于優化虛擬機性能的一種cpuidle governor。其原理為當vcpu進入idle時，通過guest端執行poll操作，以避免使其陷入host中。它的優點是減少了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，從而降低系統吞吐量的問題。

Ladder governor：該governor通過cpu前一次idle狀態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，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，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狀態的時間 lstates_usage:記錄了該設備的每個idle state的統計信息

5.cpuidle觸發流程

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狀態的選擇策略。

審核編輯：劉清