Linuxcpuidle框架详解及架构分析

在Linux系统中，CPU在无程序执行时会进入idle状态，cpuidle框架正是管理这种状态的关键工具。本文详细解析了Linux cpuidle框架的概述及软件架构，以ARM64为例平台，探讨了其在内核中的实现和功能。文章涵盖了idle进程和WFI指令在idle状态管理中的作用，并深入分析了cpuidle框架的核心、驱动和调控器模块，及其在内核调度中的应用。通过对软件架构和流程的详细剖析，帮助读者全面了解cpuidle框架在提升系统性能和节省功耗方面的重要性。

1. 前言

在计算机系统中，CPU的主要任务是执行程序，其核心步骤包括取指、译码和执行。然而，若无程序需要执行，CPU如何处理这一情况呢？有人可能会认为直接停止运行即可，但实际上，决定何时停止以及如何停止需要在复杂的软硬件环境中仔细考虑。

让我们转向Linux内核，Linux系统中的CPU被两种程序所占用：一类是进程（或线程），即进程上下文；另一类是中断和异常的处理程序，即中断上下文。

进程负责处理事务，例如读取用户输入并在屏幕上显示。当事务处理完毕，如用户不再输入且无新内容需显示时，进程可以释放CPU，但随时准备重新占用（如用户突然按键）。同样，若系统无中断或异常事件，CPU不会在中断上下文中花费时间。

在Linux内核中，CPU这种无所事事的状态被称为idle状态，而cpuidle框架正是管理这种状态的工具。

注：cpuidle框架系列文章将以ARM64为例平台。由于ARM64发布时间较短，早期版本的内核中没有相关代码，因此我们选择了最新的3.18-rc4版本的内核。

2. 功能概述

曾经，Linux内核的cpu idle框架非常简单，简单到driver工程师只需在“include\asm-arm\arch-xxx\system.h”中定义一个名为arch_idle的内联函数，并在该函数中调用内核提供的cpu_do_idle接口即可，其余的实现内核会帮我们完成，如下：

static inline void arch_idle(void)
{
    cpu_do_idle();
}

尽管简单，但这包含了idle处理的两个关键点：

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。当所有进程都不再运行时，即为CPU idle状态。内核通过一个简单的方法来判断这种状态：在init进程（系统的第一个进程）完成初始化任务后，将其转变为idle进程。由于idle进程的优先级最低，当其被调度时，说明系统中其他进程已停止运行，即CPU已idle。最终，idle进程会调用idle指令（如WFI），使CPU进入idle状态。

“ARM WFI和WFE指令”中提到，WFI Wakeup events会将CPU从WFI状态唤醒，这些事件通常是一些中断事件。因此，CPU唤醒后会执行中断处理程序，处理程序中会唤醒某些进程。当处理程序返回时，进行调度，如果没有其他进程需要执行，调度器会恢复idle进程的运行，当然，idle进程不会做任何事情，继续进入idle状态，等待下一次唤醒。

2）WFI

WFI用于解决“如何idle”的问题。

通常情况下，ARM CPU在idle时可以使用WFI指令，将CPU置于等待中断状态。在这种状态下，至少会关闭ARM核的时钟，以节省功耗（具体实现取决于ARM核的设计，可参考“ARM WFI和WFE指令”）。

也许您会觉得，上述过程已经足够好，为什么还要开发cpuidle框架？我的理解是：

3. 软件架构

在Linux内核中，cpuidle框架位于“drivers/cpuidle”文件夹中，包含cpuidle核心、cpuidle调控器和cpuidle驱动三个模块，再结合位于内核调度中的cpuidle入口，共同完成CPU的idle管理。软件架构如下图：

1）内核调度模块

位于kernel\sched\idle.c中，负责实现idle线程的通用入口（cpuidle入口）逻辑，包括idle模式的选择和idle的进入等。

2）cpuidle核心

cpuidle核心负责实现cpuidle框架的整体结构，主要功能包括：

cpuidle核心的代码主要包括：cpuidle.c、driver.c、governor.c、sysfs.c。

3）cpuidle驱动

不同的架构和CPU核会有不同的cpuidle驱动，平台驱动开发者可以在cpuidle核心提供的框架下开发自己的cpuidle驱动。代码主要包括：cpuidle-xxx.c。

4）cpuidle调控器

Linux内核的框架有两种比较固定的抽象模式：

模式2的解释可能有些抽象，但在cpuidle的场景中容易理解：

前面提到，许多CPU提供了多种idle级别（即所谓的“方案”），这些idle级别的主要区别在于“idle时的功耗”和“退出时的延迟”。cpuidle驱动（机制）负责定义这些idle状态（每个状态的功耗和延迟分别是多少），并实现进入和退出的相关操作。最终，cpuidle驱动会将这些信息传递给调控器，由调控器根据具体的应用场景决定选择哪种idle状态（策略）。

内核中的cpuidle调控器都位于governors/目录下。

4. 软件流程

在阅读本章之前，请先阅读以下三篇文章：

Linux cpuidle framework(2)_cpuidle核心

Linux cpuidle framework(3)_ARM64通用CPU idle驱动

Linux cpuidle framework(4)_menu调控器

前面提到过，内核会在系统启动完成后，在init进程（或线程）中处理cpuidle相关事务。大致过程如下（内核启动相关的分析将在其他文章中详细介绍）：

cpu_startup_entry流程：

具体代码比较简单，不再分析，但有一点需要特别说明：

使用cpuidle框架进入idle状态时，本地irq处于关闭状态，因此从idle返回时，只能继续执行，直到irq被打开，才能执行相应的中断处理程序，这与传统的cpuidle不同。同时，这也间接验证了“Linux cpuidle framework(4)_menu调控器”中提到的，为什么menu调控器在reflect接口中只是简单地设置一个标志。因为reflect是在关闭中断时被调用的，需要尽快返回，以便处理中断事件。

好了，本文到此结束，带大家了解了《Linuxcpuidle框架详解及架构分析》，希望本文对你有所帮助！关注golang学习网公众号，给大家分享更多文章知识！