linux idle(linux如何安装deb软件)

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linux cpu管理(五) cpu idle

本文基于以下软硬件假定：架构：AARCH64，内核版本：5.14.0-rc51，atf版本：Arm trust firmware V2.5。针对cpu idle目标，文章详细阐述了cpu在无任务执行时的运行方式及优化策略。

对于简单的idle处理方式，如程序中持续执行死循环操作，虽然实现简单，但会显著增加cpu的动态功耗，影响移动设备的续航能力。因此，更丰富的低功耗管理模式是必要的，如arm64架构提供的wfi指令，执行后cpu进入低功耗状态，关闭时钟降低功耗，接收到中断后被唤醒。

随着对设备功耗要求的提高，对cpu idle状态的管理提出了更高要求，包括是否可以进入更深的睡眠状态，以及在包含cluster拓扑时，一个cluster中所有cpu都进入idle状态时是否应将cluster设置为idle状态。不同cpu架构的实现方式不同，内核需提供相应的驱动程序。每个cpu抽象为一个cpuidle设备，提供idle管理信息和统计数据。

更深的睡眠状态意味着更低的功耗，但伴随更高的唤醒延迟。因此，内核需要评估不同场景下选择哪种睡眠状态。为此提供cpu idle governor管理策略框架，不同策略实现为不同governor，具有评分（rating），根据预期空闲时间和其他参数选择最佳状态。

cpu idle的管理对象是cpu，每个cpu独立控制自己的idle状态，内核为每个cpu抽象出虚拟的cpuidle设备进行管理。设备包含是否已注册、使能状态、tick中断控制、预期空闲时间、上次状态索引、停留时间、轮询时间、状态统计数据等信息。针对不同场景，设备支持简单轮询方式或特定governor。

cpu idle驱动管理实际的cpu idle状态，包含支持的cpu idle状态数组、驱动数量、coupled状态相关参数、选择使用的governor等。cpu idle状态结构包含退出延迟、目标驻留时间、标志、功耗和回调函数等参数。governor模块实现策略选择，包含名字、链表节点、评分、使能和通知函数、状态选择和更新统计数据等功能。

软件架构方面，cpuidle框架包括核心层、设备层、通用驱动层和架构特定驱动层，以及用于选择模式的governor模块。最终服务对象为调度子系统。初始化流程包括governor、驱动和设备注册，arm64架构的通用初始化流程涉及设备树解析、注册驱动和设备。

当cpu启动完成或无任务执行时，通过cpu_startup_entry函数切换到idle线程。内核有两种进入idle状态方式：系统未注册模块时，架构提供默认的wfi指令实现；注册模块时，通过cpuidle模块选择合适状态并执行相应操作。非acpi启动方式的arm64架构下，流程调用psci接口陷入bl31执行硬件操作。

退出idle状态的条件包括调度器为新进程分配任务、睡眠进程唤醒或负载均衡流程中负载轻的cpu拉取任务。governor用于确定idle状态，依据cpu预期空闲时间、退出延迟等参数选择。haltpoll governor优化虚拟机性能，通过guest端执行poll操作避免切换到host，但降低系统吞吐量。ladder governor通过cpu前一次idle状态的驻留时间和下一个state的延迟时间判断是否提升或降低state。

cpuidle过高或过低

cpuidle过高或过低都是不好的。

cpuidle是Linux内核中的一个模块，它负责在CPU空闲时降低其功耗。当cpuidle过高时，意味着CPU在空闲状态下花费了过多的时间，这可能是因为系统的负载较低，或者存在某些问题导致CPU无法充分利用其计算能力。这种情况下，CPU可能会进入深度睡眠状态，从而降低功耗，但也会降低系统的响应速度和性能。如果cpuidle过高，可能会导致系统反应迟钝，应用程序加载缓慢，甚至影响系统的稳定性。

相反，当cpuidle过低时，意味着CPU在空闲状态下花费的时间过少，这可能是因为系统的负载过高，或者CPU的调度策略存在问题。这种情况下，CPU可能无法进入深度睡眠状态，从而导致功耗增加。如果cpuidle过低，可能会导致系统过热，甚至损坏硬件。此外，过高的负载还可能导致系统崩溃或应用程序崩溃。

因此，保持适当的cpuidle水平是非常重要的。系统管理员可以通过调整CPU的调度策略、优化应用程序的性能、增加硬件资源等方式来平衡系统的负载和功耗，从而实现更好的性能和稳定性。同时，开发人员也应该注意优化应用程序的性能，以减少对CPU资源的占用，从而避免cpuidle过高或过低的问题。

例如，在服务器应用中，可以通过调整CPU的频率和电压来降低功耗，同时保证系统的稳定性和性能。在移动设备中，可以通过优化应用程序的唤醒机制、减少后台任务的运行等方式来降低cpuidle的值，从而延长设备的续航时间。

总之，保持适当的cpuidle水平是系统性能和稳定性的关键。通过合理的系统配置和应用程序优化，可以实现更好的性能、更低的功耗和更长的设备使用寿命。

Linux中的cpuidle子系统

在 Linux系统中，为了解决 CPU在空闲状态时继续运行导致的能源浪费问题，工程师们引入了 cpuidle子系统，通过硬件层面的优化来实现 CPU的高效能管理。针对这一问题，硬件层面提供了 P-state和 C-state两种不同的运行模式。

C-state划分中，C0代表正常工作模式，C1到 Cn则是各种休眠模式，这种设计允许 CPU在无事可做时进入休眠状态，以闲置指令来维持运行（称为“cpuidle”，或硬件/物理闲置），同时系统提供了多种休眠态供软件根据不同的场景选择，从关闭部分时钟/电源（浅睡）到全部关闭（深睡）。

然而，进入和退出休眠模式需要耗费时间，这会增加系统恢复到正常状态的延迟，并可能产生额外的功耗。因此，在选择休眠程度时，需要权衡功耗节省和响应时间之间的关系。

在 Linux系统中，cpuidle子系统通过描述 C-state的"cpuidle_state"结构体来管理各种休眠态。一个 SMP系统中包含多个 CPU，每个 CPU又拥有多种休眠态，形成了一个二维矩阵。而"cpuidle_device"则代表了实现闲置功能的硬件部分，这些信息可通过"/sys/devices/system/cpu/cpuidle/"查看。

为了决定进入哪种休眠态，系统采用了"governor"这个执行体，由"cpuidle_governor"结构体表示。目前，Linux默认采用的是"menu"策略，由"cpuidle.governor="的命令行参数在启动时进行切换。此外，系统还通过"dyntick-idle"模式来减少干扰并增强确定性。

为了提高胜率，governor策略在预测闲置时间时会采取不同的方法。例如，"ladder"策略会采取渐进式策略，根据实际闲置时间调整到更深层次的休眠态。而"menu"策略则会直接选择预计满足需求的最深休眠态。这些策略在"drivers/cpuidle/governors/menu.c"中实现，并允许用户在启动时通过命令行参数进行切换。

Intel开源技术中心的工程师 Rafael J. Wysocki对这个机制进行了优化，通过调整"stop_tick"函数的参数，使得系统在预测为短闲状态时选择相对浅的休眠态，从而在实际为长闲状态时及时止损。此外，Wysocki还通过实验验证了新方案在降低波动性和整体功耗上的有效性，并将其集成到内核版本中。

除了"select"函数，governor还包含了"reflect"函数，它负责基于过去实际的休眠时间计算合理的均值，并调整未来的唤醒事件预测。这一反馈调节机制使得系统能够根据历史数据来优化未来的决策。

在硬件层面，cpuidle driver提供了与特定硬件平台紧密相关的服务，允许 governor选择合适的 C-state来进入。不同架构的 CPU提供了不同的闲置模式，Linux通过 driver的形式为 governor提供了一层对底层硬件细节的统一封装。

对于 x86架构，默认使用"intel_idle"的驱动，可通过"idle=nomwait"更改为使用"acpi_idle"。然而，"acpi_idle"不支持使用"MWAIT"指令进入休眠态，因此被称为"nomwait"。

Linux支持至多 10种闲置模式，每种模式由"cpuidle_state"结构体描述。用户可以通过"processor.max_cstate="设置允许的最深闲置模式，这限制了 governor可以做出选择的范围。

总之，cpuidle子系统通过提供各种闲置状态和智能的 governor算法，实现了对 Linux系统的高效能管理。随着 AI技术的发展，未来可能有更多的方法来优化这一系统，以适应各种场景并提供更佳性能。