1. 前言

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，cpu的主要任務(wù)是執(zhí)行程序，其核心步驟包括取指、譯碼和執(zhí)行。然而，若無程序需要執(zhí)行，cpu如何處理這一情況呢？有人可能會認(rèn)為直接停止運(yùn)行即可，但實(shí)際上，決定何時(shí)停止以及如何停止需要在復(fù)雜的軟硬件環(huán)境中仔細(xì)考慮。

讓我們轉(zhuǎn)向Linux內(nèi)核，Linux系統(tǒng)中的CPU被兩種程序所占用：一類是進(jìn)程（或線程），即進(jìn)程上下文；另一類是中斷和異常的處理程序，即中斷上下文。

進(jìn)程負(fù)責(zé)處理事務(wù)，例如讀取用戶輸入并在屏幕上顯示。當(dāng)事務(wù)處理完畢，如用戶不再輸入且無新內(nèi)容需顯示時(shí)，進(jìn)程可以釋放CPU，但隨時(shí)準(zhǔn)備重新占用（如用戶突然按鍵）。同樣，若系統(tǒng)無中斷或異常事件，CPU不會在中斷上下文中花費(fèi)時(shí)間。

在Linux內(nèi)核中，CPU這種無所事事的狀態(tài)被稱為idle狀態(tài)，而cpuidle框架正是管理這種狀態(tài)的工具。

注：cpuidle框架系列文章將以ARM64為例平臺。由于ARM64發(fā)布時(shí)間較短，早期版本的內(nèi)核中沒有相關(guān)代碼，因此我們選擇了最新的3.18-rc4版本的內(nèi)核。

2. 功能概述

曾經(jīng)，Linux內(nèi)核的cpu idle框架非常簡單，簡單到driver工程師只需在“includeasm-armarch-xxxsystem.h”中定義一個(gè)名為arch_idle的內(nèi)聯(lián)函數(shù)，并在該函數(shù)中調(diào)用內(nèi)核提供的cpu_do_idle接口即可，其余的實(shí)現(xiàn)內(nèi)核會幫我們完成，如下：

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

盡管簡單，但這包含了idle處理的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1）idle進(jìn)程

idle進(jìn)程的存在是為了解決“何時(shí)idle”的問題。

我們知道，Linux系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)是進(jìn)程調(diào)度。當(dāng)所有進(jìn)程都不再運(yùn)行時(shí)，即為CPU idle狀態(tài)。內(nèi)核通過一個(gè)簡單的方法來判斷這種狀態(tài)：在init進(jìn)程（系統(tǒng)的第一個(gè)進(jìn)程）完成初始化任務(wù)后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閕dle進(jìn)程。由于idle進(jìn)程的優(yōu)先級最低，當(dāng)其被調(diào)度時(shí)，說明系統(tǒng)中其他進(jìn)程已停止運(yùn)行，即CPU已idle。最終，idle進(jìn)程會調(diào)用idle指令（如WFI），使CPU進(jìn)入idle狀態(tài)。

“ARM WFI和WFE指令”中提到，WFI Wakeup events會將CPU從WFI狀態(tài)喚醒，這些事件通常是一些中斷事件。因此，CPU喚醒后會執(zhí)行中斷處理程序，處理程序中會喚醒某些進(jìn)程。當(dāng)處理程序返回時(shí)，進(jìn)行調(diào)度，如果沒有其他進(jìn)程需要執(zhí)行，調(diào)度器會恢復(fù)idle進(jìn)程的運(yùn)行，當(dāng)然，idle進(jìn)程不會做任何事情，繼續(xù)進(jìn)入idle狀態(tài)，等待下一次喚醒。

2）WFI

WFI用于解決“如何idle”的問題。

通常情況下，ARM CPU在idle時(shí)可以使用WFI指令，將CPU置于等待中斷狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，至少會關(guān)閉ARM核的時(shí)鐘，以節(jié)省功耗（具體實(shí)現(xiàn)取決于ARM核的設(shè)計(jì)，可參考“ARM WFI和WFE指令”）。

也許您會覺得，上述過程已經(jīng)足夠好，為什么還要開發(fā)cpuidle框架？我的理解是：

3. 軟件架構(gòu)

在Linux內(nèi)核中，cpuidle框架位于“drivers/cpuidle”文件夾中，包含cpuidle核心、cpuidle調(diào)控器和cpuidle驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊，再結(jié)合位于內(nèi)核調(diào)度中的cpuidle入口，共同完成CPU的idle管理。軟件架構(gòu)如下圖：

1）內(nèi)核調(diào)度模塊

位于kernelschedidle.c中，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)idle線程的通用入口（cpuidle入口）邏輯，包括idle模式的選擇和idle的進(jìn)入等。

2）cpuidle核心

cpuidle核心負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)cpuidle框架的整體結(jié)構(gòu)，主要功能包括：

cpuidle核心的代碼主要包括：cpuidle.c、driver.c、governor.c、sysfs.c。

3）cpuidle驅(qū)動(dòng)

不同的架構(gòu)和CPU核會有不同的cpuidle驅(qū)動(dòng)，平臺驅(qū)動(dòng)開發(fā)者可以在cpuidle核心提供的框架下開發(fā)自己的cpuidle驅(qū)動(dòng)。代碼主要包括：cpuidle-xxx.c。

4）cpuidle調(diào)控器

Linux內(nèi)核的框架有兩種比較固定的抽象模式：

模式2的解釋可能有些抽象，但在cpuidle的場景中容易理解：

前面提到，許多CPU提供了多種idle級別（即所謂的“方案”），這些idle級別的主要區(qū)別在于“idle時(shí)的功耗”和“退出時(shí)的延遲”。cpuidle驅(qū)動(dòng)（機(jī)制）負(fù)責(zé)定義這些idle狀態(tài)（每個(gè)狀態(tài)的功耗和延遲分別是多少），并實(shí)現(xiàn)進(jìn)入和退出的相關(guān)操作。最終，cpuidle驅(qū)動(dòng)會將這些信息傳遞給調(diào)控器，由調(diào)控器根據(jù)具體的應(yīng)用場景決定選擇哪種idle狀態(tài)（策略）。

內(nèi)核中的cpuidle調(diào)控器都位于governors/目錄下。

4. 軟件流程

在閱讀本章之前，請先閱讀以下三篇文章：

Linux cpuidle framework(2)_cpuidle核心

Linux cpuidle framework(3)_ARM64通用CPU idle驅(qū)動(dòng)

Linux cpuidle framework(4)_menu調(diào)控器

前面提到過，內(nèi)核會在系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，在init進(jìn)程（或線程）中處理cpuidle相關(guān)事務(wù)。大致過程如下（內(nèi)核啟動(dòng)相關(guān)的分析將在其他文章中詳細(xì)介紹）：

cpu_startup_entry流程：

具體代碼比較簡單，不再分析，但有一點(diǎn)需要特別說明：

使用cpuidle框架進(jìn)入idle狀態(tài)時(shí)，本地irq處于關(guān)閉狀態(tài)，因此從idle返回時(shí)，只能繼續(xù)執(zhí)行，直到irq被打開，才能執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序，這與傳統(tǒng)的cpuidle不同。同時(shí)，這也間接驗(yàn)證了“Linux cpuidle framework(4)_menu調(diào)控器”中提到的，為什么menu調(diào)控器在reflect接口中只是簡單地設(shè)置一個(gè)標(biāo)志。因?yàn)閞eflect是在關(guān)閉中斷時(shí)被調(diào)用的，需要盡快返回，以便處理中斷事件。