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[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / admin-guide / pm / intel_pstate.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 .. include:: <isonum.txt>
3
4 ===============================================
5 ``intel_pstate`` CPU Performance Scaling Driver
6 ===============================================
7
8 :Copyright: |copy| 2017 Intel Corporation
9
10 :Author: Rafael J. Wysocki <rafael.j.wysocki@intel.com>
11
12
13 General Information
14 ===================
15
16 ``intel_pstate`` is a part of the
17 :doc:`CPU performance scaling subsystem <cpufreq>` in the Linux kernel
18 (``CPUFreq``).  It is a scaling driver for the Sandy Bridge and later
19 generations of Intel processors.  Note, however, that some of those processors
20 may not be supported.  [To understand ``intel_pstate`` it is necessary to know
21 how ``CPUFreq`` works in general, so this is the time to read :doc:`cpufreq` if
22 you have not done that yet.]
23
24 For the processors supported by ``intel_pstate``, the P-state concept is broader
25 than just an operating frequency or an operating performance point (see the
26 LinuxCon Europe 2015 presentation by Kristen Accardi [1]_ for more
27 information about that).  For this reason, the representation of P-states used
28 by ``intel_pstate`` internally follows the hardware specification (for details
29 refer to Intel Software Developer’s Manual [2]_).  However, the ``CPUFreq`` core
30 uses frequencies for identifying operating performance points of CPUs and
31 frequencies are involved in the user space interface exposed by it, so
32 ``intel_pstate`` maps its internal representation of P-states to frequencies too
33 (fortunately, that mapping is unambiguous).  At the same time, it would not be
34 practical for ``intel_pstate`` to supply the ``CPUFreq`` core with a table of
35 available frequencies due to the possible size of it, so the driver does not do
36 that.  Some functionality of the core is limited by that.
37
38 Since the hardware P-state selection interface used by ``intel_pstate`` is
39 available at the logical CPU level, the driver always works with individual
40 CPUs.  Consequently, if ``intel_pstate`` is in use, every ``CPUFreq`` policy
41 object corresponds to one logical CPU and ``CPUFreq`` policies are effectively
42 equivalent to CPUs.  In particular, this means that they become "inactive" every
43 time the corresponding CPU is taken offline and need to be re-initialized when
44 it goes back online.
45
46 ``intel_pstate`` is not modular, so it cannot be unloaded, which means that the
47 only way to pass early-configuration-time parameters to it is via the kernel
48 command line.  However, its configuration can be adjusted via ``sysfs`` to a
49 great extent.  In some configurations it even is possible to unregister it via
50 ``sysfs`` which allows another ``CPUFreq`` scaling driver to be loaded and
51 registered (see `below <status_attr_>`_).
52
53
54 Operation Modes
55 ===============
56
57 ``intel_pstate`` can operate in two different modes, active or passive.  In the
58 active mode, it uses its own internal performance scaling governor algorithm or
59 allows the hardware to do preformance scaling by itself, while in the passive
60 mode it responds to requests made by a generic ``CPUFreq`` governor implementing
61 a certain performance scaling algorithm.  Which of them will be in effect
62 depends on what kernel command line options are used and on the capabilities of
63 the processor.
64
65 Active Mode
66 -----------
67
68 This is the default operation mode of ``intel_pstate`` for processors with
69 hardware-managed P-states (HWP) support.  If it works in this mode, the
70 ``scaling_driver`` policy attribute in ``sysfs`` for all ``CPUFreq`` policies
71 contains the string "intel_pstate".
72
73 In this mode the driver bypasses the scaling governors layer of ``CPUFreq`` and
74 provides its own scaling algorithms for P-state selection.  Those algorithms
75 can be applied to ``CPUFreq`` policies in the same way as generic scaling
76 governors (that is, through the ``scaling_governor`` policy attribute in
77 ``sysfs``).  [Note that different P-state selection algorithms may be chosen for
78 different policies, but that is not recommended.]
79
80 They are not generic scaling governors, but their names are the same as the
81 names of some of those governors.  Moreover, confusingly enough, they generally
82 do not work in the same way as the generic governors they share the names with.
83 For example, the ``powersave`` P-state selection algorithm provided by
84 ``intel_pstate`` is not a counterpart of the generic ``powersave`` governor
85 (roughly, it corresponds to the ``schedutil`` and ``ondemand`` governors).
86
87 There are two P-state selection algorithms provided by ``intel_pstate`` in the
88 active mode: ``powersave`` and ``performance``.  The way they both operate
89 depends on whether or not the hardware-managed P-states (HWP) feature has been
90 enabled in the processor and possibly on the processor model.
91
92 Which of the P-state selection algorithms is used by default depends on the
93 :c:macro:`CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_PERFORMANCE` kernel configuration option.
94 Namely, if that option is set, the ``performance`` algorithm will be used by
95 default, and the other one will be used by default if it is not set.
96
97 Active Mode With HWP
98 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
99
100 If the processor supports the HWP feature, it will be enabled during the
101 processor initialization and cannot be disabled after that.  It is possible
102 to avoid enabling it by passing the ``intel_pstate=no_hwp`` argument to the
103 kernel in the command line.
104
105 If the HWP feature has been enabled, ``intel_pstate`` relies on the processor to
106 select P-states by itself, but still it can give hints to the processor's
107 internal P-state selection logic.  What those hints are depends on which P-state
108 selection algorithm has been applied to the given policy (or to the CPU it
109 corresponds to).
110
111 Even though the P-state selection is carried out by the processor automatically,
112 ``intel_pstate`` registers utilization update callbacks with the CPU scheduler
113 in this mode.  However, they are not used for running a P-state selection
114 algorithm, but for periodic updates of the current CPU frequency information to
115 be made available from the ``scaling_cur_freq`` policy attribute in ``sysfs``.
116
117 HWP + ``performance``
118 .....................
119
120 In this configuration ``intel_pstate`` will write 0 to the processor's
121 Energy-Performance Preference (EPP) knob (if supported) or its
122 Energy-Performance Bias (EPB) knob (otherwise), which means that the processor's
123 internal P-state selection logic is expected to focus entirely on performance.
124
125 This will override the EPP/EPB setting coming from the ``sysfs`` interface
126 (see `Energy vs Performance Hints`_ below).
127
128 Also, in this configuration the range of P-states available to the processor's
129 internal P-state selection logic is always restricted to the upper boundary
130 (that is, the maximum P-state that the driver is allowed to use).
131
132 HWP + ``powersave``
133 ...................
134
135 In this configuration ``intel_pstate`` will set the processor's
136 Energy-Performance Preference (EPP) knob (if supported) or its
137 Energy-Performance Bias (EPB) knob (otherwise) to whatever value it was
138 previously set to via ``sysfs`` (or whatever default value it was
139 set to by the platform firmware).  This usually causes the processor's
140 internal P-state selection logic to be less performance-focused.
141
142 Active Mode Without HWP
143 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
144
145 This operation mode is optional for processors that do not support the HWP
146 feature or when the ``intel_pstate=no_hwp`` argument is passed to the kernel in
147 the command line.  The active mode is used in those cases if the
148 ``intel_pstate=active`` argument is passed to the kernel in the command line.
149 In this mode ``intel_pstate`` may refuse to work with processors that are not
150 recognized by it.  [Note that ``intel_pstate`` will never refuse to work with
151 any processor with the HWP feature enabled.]
152
153 In this mode ``intel_pstate`` registers utilization update callbacks with the
154 CPU scheduler in order to run a P-state selection algorithm, either
155 ``powersave`` or ``performance``, depending on the ``scaling_governor`` policy
156 setting in ``sysfs``.  The current CPU frequency information to be made
157 available from the ``scaling_cur_freq`` policy attribute in ``sysfs`` is
158 periodically updated by those utilization update callbacks too.
159
160 ``performance``
161 ...............
162
163 Without HWP, this P-state selection algorithm is always the same regardless of
164 the processor model and platform configuration.
165
166 It selects the maximum P-state it is allowed to use, subject to limits set via
167 ``sysfs``, every time the driver configuration for the given CPU is updated
168 (e.g. via ``sysfs``).
169
170 This is the default P-state selection algorithm if the
171 :c:macro:`CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_PERFORMANCE` kernel configuration option
172 is set.
173
174 ``powersave``
175 .............
176
177 Without HWP, this P-state selection algorithm is similar to the algorithm
178 implemented by the generic ``schedutil`` scaling governor except that the
179 utilization metric used by it is based on numbers coming from feedback
180 registers of the CPU.  It generally selects P-states proportional to the
181 current CPU utilization.
182
183 This algorithm is run by the driver's utilization update callback for the
184 given CPU when it is invoked by the CPU scheduler, but not more often than
185 every 10 ms.  Like in the ``performance`` case, the hardware configuration
186 is not touched if the new P-state turns out to be the same as the current
187 one.
188
189 This is the default P-state selection algorithm if the
190 :c:macro:`CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_PERFORMANCE` kernel configuration option
191 is not set.
192
193 Passive Mode
194 ------------
195
196 This is the default operation mode of ``intel_pstate`` for processors without
197 hardware-managed P-states (HWP) support.  It is always used if the
198 ``intel_pstate=passive`` argument is passed to the kernel in the command line
199 regardless of whether or not the given processor supports HWP.  [Note that the
200 ``intel_pstate=no_hwp`` setting causes the driver to start in the passive mode
201 if it is not combined with ``intel_pstate=active``.]  Like in the active mode
202 without HWP support, in this mode ``intel_pstate`` may refuse to work with
203 processors that are not recognized by it if HWP is prevented from being enabled
204 through the kernel command line.
205
206 If the driver works in this mode, the ``scaling_driver`` policy attribute in
207 ``sysfs`` for all ``CPUFreq`` policies contains the string "intel_cpufreq".
208 Then, the driver behaves like a regular ``CPUFreq`` scaling driver.  That is,
209 it is invoked by generic scaling governors when necessary to talk to the
210 hardware in order to change the P-state of a CPU (in particular, the
211 ``schedutil`` governor can invoke it directly from scheduler context).
212
213 While in this mode, ``intel_pstate`` can be used with all of the (generic)
214 scaling governors listed by the ``scaling_available_governors`` policy attribute
215 in ``sysfs`` (and the P-state selection algorithms described above are not
216 used).  Then, it is responsible for the configuration of policy objects
217 corresponding to CPUs and provides the ``CPUFreq`` core (and the scaling
218 governors attached to the policy objects) with accurate information on the
219 maximum and minimum operating frequencies supported by the hardware (including
220 the so-called "turbo" frequency ranges).  In other words, in the passive mode
221 the entire range of available P-states is exposed by ``intel_pstate`` to the
222 ``CPUFreq`` core.  However, in this mode the driver does not register
223 utilization update callbacks with the CPU scheduler and the ``scaling_cur_freq``
224 information comes from the ``CPUFreq`` core (and is the last frequency selected
225 by the current scaling governor for the given policy).
226
227
228 .. _turbo:
229
230 Turbo P-states Support
231 ======================
232
233 In the majority of cases, the entire range of P-states available to
234 ``intel_pstate`` can be divided into two sub-ranges that correspond to
235 different types of processor behavior, above and below a boundary that
236 will be referred to as the "turbo threshold" in what follows.
237
238 The P-states above the turbo threshold are referred to as "turbo P-states" and
239 the whole sub-range of P-states they belong to is referred to as the "turbo
240 range".  These names are related to the Turbo Boost technology allowing a
241 multicore processor to opportunistically increase the P-state of one or more
242 cores if there is enough power to do that and if that is not going to cause the
243 thermal envelope of the processor package to be exceeded.
244
245 Specifically, if software sets the P-state of a CPU core within the turbo range
246 (that is, above the turbo threshold), the processor is permitted to take over
247 performance scaling control for that core and put it into turbo P-states of its
248 choice going forward.  However, that permission is interpreted differently by
249 different processor generations.  Namely, the Sandy Bridge generation of
250 processors will never use any P-states above the last one set by software for
251 the given core, even if it is within the turbo range, whereas all of the later
252 processor generations will take it as a license to use any P-states from the
253 turbo range, even above the one set by software.  In other words, on those
254 processors setting any P-state from the turbo range will enable the processor
255 to put the given core into all turbo P-states up to and including the maximum
256 supported one as it sees fit.
257
258 One important property of turbo P-states is that they are not sustainable.  More
259 precisely, there is no guarantee that any CPUs will be able to stay in any of
260 those states indefinitely, because the power distribution within the processor
261 package may change over time  or the thermal envelope it was designed for might
262 be exceeded if a turbo P-state was used for too long.
263
264 In turn, the P-states below the turbo threshold generally are sustainable.  In
265 fact, if one of them is set by software, the processor is not expected to change
266 it to a lower one unless in a thermal stress or a power limit violation
267 situation (a higher P-state may still be used if it is set for another CPU in
268 the same package at the same time, for example).
269
270 Some processors allow multiple cores to be in turbo P-states at the same time,
271 but the maximum P-state that can be set for them generally depends on the number
272 of cores running concurrently.  The maximum turbo P-state that can be set for 3
273 cores at the same time usually is lower than the analogous maximum P-state for
274 2 cores, which in turn usually is lower than the maximum turbo P-state that can
275 be set for 1 core.  The one-core maximum turbo P-state is thus the maximum
276 supported one overall.
277
278 The maximum supported turbo P-state, the turbo threshold (the maximum supported
279 non-turbo P-state) and the minimum supported P-state are specific to the
280 processor model and can be determined by reading the processor's model-specific
281 registers (MSRs).  Moreover, some processors support the Configurable TDP
282 (Thermal Design Power) feature and, when that feature is enabled, the turbo
283 threshold effectively becomes a configurable value that can be set by the
284 platform firmware.
285
286 Unlike ``_PSS`` objects in the ACPI tables, ``intel_pstate`` always exposes
287 the entire range of available P-states, including the whole turbo range, to the
288 ``CPUFreq`` core and (in the passive mode) to generic scaling governors.  This
289 generally causes turbo P-states to be set more often when ``intel_pstate`` is
290 used relative to ACPI-based CPU performance scaling (see `below <acpi-cpufreq_>`_
291 for more information).
292
293 Moreover, since ``intel_pstate`` always knows what the real turbo threshold is
294 (even if the Configurable TDP feature is enabled in the processor), its
295 ``no_turbo`` attribute in ``sysfs`` (described `below <no_turbo_attr_>`_) should
296 work as expected in all cases (that is, if set to disable turbo P-states, it
297 always should prevent ``intel_pstate`` from using them).
298
299
300 Processor Support
301 =================
302
303 To handle a given processor ``intel_pstate`` requires a number of different
304 pieces of information on it to be known, including:
305
306  * The minimum supported P-state.
307
308  * The maximum supported `non-turbo P-state <turbo_>`_.
309
310  * Whether or not turbo P-states are supported at all.
311
312  * The maximum supported `one-core turbo P-state <turbo_>`_ (if turbo P-states
313    are supported).
314
315  * The scaling formula to translate the driver's internal representation
316    of P-states into frequencies and the other way around.
317
318 Generally, ways to obtain that information are specific to the processor model
319 or family.  Although it often is possible to obtain all of it from the processor
320 itself (using model-specific registers), there are cases in which hardware
321 manuals need to be consulted to get to it too.
322
323 For this reason, there is a list of supported processors in ``intel_pstate`` and
324 the driver initialization will fail if the detected processor is not in that
325 list, unless it supports the HWP feature.  [The interface to obtain all of the
326 information listed above is the same for all of the processors supporting the
327 HWP feature, which is why ``intel_pstate`` works with all of them.]
328
329
330 User Space Interface in ``sysfs``
331 =================================
332
333 Global Attributes
334 -----------------
335
336 ``intel_pstate`` exposes several global attributes (files) in ``sysfs`` to
337 control its functionality at the system level.  They are located in the
338 ``/sys/devices/system/cpu/intel_pstate/`` directory and affect all CPUs.
339
340 Some of them are not present if the ``intel_pstate=per_cpu_perf_limits``
341 argument is passed to the kernel in the command line.
342
343 ``max_perf_pct``
344         Maximum P-state the driver is allowed to set in percent of the
345         maximum supported performance level (the highest supported `turbo
346         P-state <turbo_>`_).
347
348         This attribute will not be exposed if the
349         ``intel_pstate=per_cpu_perf_limits`` argument is present in the kernel
350         command line.
351
352 ``min_perf_pct``
353         Minimum P-state the driver is allowed to set in percent of the
354         maximum supported performance level (the highest supported `turbo
355         P-state <turbo_>`_).
356
357         This attribute will not be exposed if the
358         ``intel_pstate=per_cpu_perf_limits`` argument is present in the kernel
359         command line.
360
361 ``num_pstates``
362         Number of P-states supported by the processor (between 0 and 255
363         inclusive) including both turbo and non-turbo P-states (see
364         `Turbo P-states Support`_).
365
366         The value of this attribute is not affected by the ``no_turbo``
367         setting described `below <no_turbo_attr_>`_.
368
369         This attribute is read-only.
370
371 ``turbo_pct``
372         Ratio of the `turbo range <turbo_>`_ size to the size of the entire
373         range of supported P-states, in percent.
374
375         This attribute is read-only.
376
377 .. _no_turbo_attr:
378
379 ``no_turbo``
380         If set (equal to 1), the driver is not allowed to set any turbo P-states
381         (see `Turbo P-states Support`_).  If unset (equalt to 0, which is the
382         default), turbo P-states can be set by the driver.
383         [Note that ``intel_pstate`` does not support the general ``boost``
384         attribute (supported by some other scaling drivers) which is replaced
385         by this one.]
386
387         This attrubute does not affect the maximum supported frequency value
388         supplied to the ``CPUFreq`` core and exposed via the policy interface,
389         but it affects the maximum possible value of per-policy P-state limits
390         (see `Interpretation of Policy Attributes`_ below for details).
391
392 ``hwp_dynamic_boost``
393         This attribute is only present if ``intel_pstate`` works in the
394         `active mode with the HWP feature enabled <Active Mode With HWP_>`_ in
395         the processor.  If set (equal to 1), it causes the minimum P-state limit
396         to be increased dynamically for a short time whenever a task previously
397         waiting on I/O is selected to run on a given logical CPU (the purpose
398         of this mechanism is to improve performance).
399
400         This setting has no effect on logical CPUs whose minimum P-state limit
401         is directly set to the highest non-turbo P-state or above it.
402
403 .. _status_attr:
404
405 ``status``
406         Operation mode of the driver: "active", "passive" or "off".
407
408         "active"
409                 The driver is functional and in the `active mode
410                 <Active Mode_>`_.
411
412         "passive"
413                 The driver is functional and in the `passive mode
414                 <Passive Mode_>`_.
415
416         "off"
417                 The driver is not functional (it is not registered as a scaling
418                 driver with the ``CPUFreq`` core).
419
420         This attribute can be written to in order to change the driver's
421         operation mode or to unregister it.  The string written to it must be
422         one of the possible values of it and, if successful, the write will
423         cause the driver to switch over to the operation mode represented by
424         that string - or to be unregistered in the "off" case.  [Actually,
425         switching over from the active mode to the passive mode or the other
426         way around causes the driver to be unregistered and registered again
427         with a different set of callbacks, so all of its settings (the global
428         as well as the per-policy ones) are then reset to their default
429         values, possibly depending on the target operation mode.]
430
431 ``energy_efficiency``
432         This attribute is only present on platforms with CPUs matching the Kaby
433         Lake or Coffee Lake desktop CPU model. By default, energy-efficiency
434         optimizations are disabled on these CPU models if HWP is enabled.
435         Enabling energy-efficiency optimizations may limit maximum operating
436         frequency with or without the HWP feature.  With HWP enabled, the
437         optimizations are done only in the turbo frequency range.  Without it,
438         they are done in the entire available frequency range.  Setting this
439         attribute to "1" enables the energy-efficiency optimizations and setting
440         to "0" disables them.
441
442 Interpretation of Policy Attributes
443 -----------------------------------
444
445 The interpretation of some ``CPUFreq`` policy attributes described in
446 :doc:`cpufreq` is special with ``intel_pstate`` as the current scaling driver
447 and it generally depends on the driver's `operation mode <Operation Modes_>`_.
448
449 First of all, the values of the ``cpuinfo_max_freq``, ``cpuinfo_min_freq`` and
450 ``scaling_cur_freq`` attributes are produced by applying a processor-specific
451 multiplier to the internal P-state representation used by ``intel_pstate``.
452 Also, the values of the ``scaling_max_freq`` and ``scaling_min_freq``
453 attributes are capped by the frequency corresponding to the maximum P-state that
454 the driver is allowed to set.
455
456 If the ``no_turbo`` `global attribute <no_turbo_attr_>`_ is set, the driver is
457 not allowed to use turbo P-states, so the maximum value of ``scaling_max_freq``
458 and ``scaling_min_freq`` is limited to the maximum non-turbo P-state frequency.
459 Accordingly, setting ``no_turbo`` causes ``scaling_max_freq`` and
460 ``scaling_min_freq`` to go down to that value if they were above it before.
461 However, the old values of ``scaling_max_freq`` and ``scaling_min_freq`` will be
462 restored after unsetting ``no_turbo``, unless these attributes have been written
463 to after ``no_turbo`` was set.
464
465 If ``no_turbo`` is not set, the maximum possible value of ``scaling_max_freq``
466 and ``scaling_min_freq`` corresponds to the maximum supported turbo P-state,
467 which also is the value of ``cpuinfo_max_freq`` in either case.
468
469 Next, the following policy attributes have special meaning if
470 ``intel_pstate`` works in the `active mode <Active Mode_>`_:
471
472 ``scaling_available_governors``
473         List of P-state selection algorithms provided by ``intel_pstate``.
474
475 ``scaling_governor``
476         P-state selection algorithm provided by ``intel_pstate`` currently in
477         use with the given policy.
478
479 ``scaling_cur_freq``
480         Frequency of the average P-state of the CPU represented by the given
481         policy for the time interval between the last two invocations of the
482         driver's utilization update callback by the CPU scheduler for that CPU.
483
484 One more policy attribute is present if the HWP feature is enabled in the
485 processor:
486
487 ``base_frequency``
488         Shows the base frequency of the CPU. Any frequency above this will be
489         in the turbo frequency range.
490
491 The meaning of these attributes in the `passive mode <Passive Mode_>`_ is the
492 same as for other scaling drivers.
493
494 Additionally, the value of the ``scaling_driver`` attribute for ``intel_pstate``
495 depends on the operation mode of the driver.  Namely, it is either
496 "intel_pstate" (in the `active mode <Active Mode_>`_) or "intel_cpufreq" (in the
497 `passive mode <Passive Mode_>`_).
498
499 Coordination of P-State Limits
500 ------------------------------
501
502 ``intel_pstate`` allows P-state limits to be set in two ways: with the help of
503 the ``max_perf_pct`` and ``min_perf_pct`` `global attributes
504 <Global Attributes_>`_ or via the ``scaling_max_freq`` and ``scaling_min_freq``
505 ``CPUFreq`` policy attributes.  The coordination between those limits is based
506 on the following rules, regardless of the current operation mode of the driver:
507
508  1. All CPUs are affected by the global limits (that is, none of them can be
509     requested to run faster than the global maximum and none of them can be
510     requested to run slower than the global minimum).
511
512  2. Each individual CPU is affected by its own per-policy limits (that is, it
513     cannot be requested to run faster than its own per-policy maximum and it
514     cannot be requested to run slower than its own per-policy minimum). The
515     effective performance depends on whether the platform supports per core
516     P-states, hyper-threading is enabled and on current performance requests
517     from other CPUs. When platform doesn't support per core P-states, the
518     effective performance can be more than the policy limits set on a CPU, if
519     other CPUs are requesting higher performance at that moment. Even with per
520     core P-states support, when hyper-threading is enabled, if the sibling CPU
521     is requesting higher performance, the other siblings will get higher
522     performance than their policy limits.
523
524  3. The global and per-policy limits can be set independently.
525
526 In the `active mode with the HWP feature enabled <Active Mode With HWP_>`_, the
527 resulting effective values are written into hardware registers whenever the
528 limits change in order to request its internal P-state selection logic to always
529 set P-states within these limits.  Otherwise, the limits are taken into account
530 by scaling governors (in the `passive mode <Passive Mode_>`_) and by the driver
531 every time before setting a new P-state for a CPU.
532
533 Additionally, if the ``intel_pstate=per_cpu_perf_limits`` command line argument
534 is passed to the kernel, ``max_perf_pct`` and ``min_perf_pct`` are not exposed
535 at all and the only way to set the limits is by using the policy attributes.
536
537
538 Energy vs Performance Hints
539 ---------------------------
540
541 If the hardware-managed P-states (HWP) is enabled in the processor, additional
542 attributes, intended to allow user space to help ``intel_pstate`` to adjust the
543 processor's internal P-state selection logic by focusing it on performance or on
544 energy-efficiency, or somewhere between the two extremes, are present in every
545 ``CPUFreq`` policy directory in ``sysfs``.  They are :
546
547 ``energy_performance_preference``
548         Current value of the energy vs performance hint for the given policy
549         (or the CPU represented by it).
550
551         The hint can be changed by writing to this attribute.
552
553 ``energy_performance_available_preferences``
554         List of strings that can be written to the
555         ``energy_performance_preference`` attribute.
556
557         They represent different energy vs performance hints and should be
558         self-explanatory, except that ``default`` represents whatever hint
559         value was set by the platform firmware.
560
561 Strings written to the ``energy_performance_preference`` attribute are
562 internally translated to integer values written to the processor's
563 Energy-Performance Preference (EPP) knob (if supported) or its
564 Energy-Performance Bias (EPB) knob. It is also possible to write a positive
565 integer value between 0 to 255, if the EPP feature is present. If the EPP
566 feature is not present, writing integer value to this attribute is not
567 supported. In this case, user can use the
568 "/sys/devices/system/cpu/cpu*/power/energy_perf_bias" interface.
569
570 [Note that tasks may by migrated from one CPU to another by the scheduler's
571 load-balancing algorithm and if different energy vs performance hints are
572 set for those CPUs, that may lead to undesirable outcomes.  To avoid such
573 issues it is better to set the same energy vs performance hint for all CPUs
574 or to pin every task potentially sensitive to them to a specific CPU.]
575
576 .. _acpi-cpufreq:
577
578 ``intel_pstate`` vs ``acpi-cpufreq``
579 ====================================
580
581 On the majority of systems supported by ``intel_pstate``, the ACPI tables
582 provided by the platform firmware contain ``_PSS`` objects returning information
583 that can be used for CPU performance scaling (refer to the ACPI specification
584 [3]_ for details on the ``_PSS`` objects and the format of the information
585 returned by them).
586
587 The information returned by the ACPI ``_PSS`` objects is used by the
588 ``acpi-cpufreq`` scaling driver.  On systems supported by ``intel_pstate``
589 the ``acpi-cpufreq`` driver uses the same hardware CPU performance scaling
590 interface, but the set of P-states it can use is limited by the ``_PSS``
591 output.
592
593 On those systems each ``_PSS`` object returns a list of P-states supported by
594 the corresponding CPU which basically is a subset of the P-states range that can
595 be used by ``intel_pstate`` on the same system, with one exception: the whole
596 `turbo range <turbo_>`_ is represented by one item in it (the topmost one).  By
597 convention, the frequency returned by ``_PSS`` for that item is greater by 1 MHz
598 than the frequency of the highest non-turbo P-state listed by it, but the
599 corresponding P-state representation (following the hardware specification)
600 returned for it matches the maximum supported turbo P-state (or is the
601 special value 255 meaning essentially "go as high as you can get").
602
603 The list of P-states returned by ``_PSS`` is reflected by the table of
604 available frequencies supplied by ``acpi-cpufreq`` to the ``CPUFreq`` core and
605 scaling governors and the minimum and maximum supported frequencies reported by
606 it come from that list as well.  In particular, given the special representation
607 of the turbo range described above, this means that the maximum supported
608 frequency reported by ``acpi-cpufreq`` is higher by 1 MHz than the frequency
609 of the highest supported non-turbo P-state listed by ``_PSS`` which, of course,
610 affects decisions made by the scaling governors, except for ``powersave`` and
611 ``performance``.
612
613 For example, if a given governor attempts to select a frequency proportional to
614 estimated CPU load and maps the load of 100% to the maximum supported frequency
615 (possibly multiplied by a constant), then it will tend to choose P-states below
616 the turbo threshold if ``acpi-cpufreq`` is used as the scaling driver, because
617 in that case the turbo range corresponds to a small fraction of the frequency
618 band it can use (1 MHz vs 1 GHz or more).  In consequence, it will only go to
619 the turbo range for the highest loads and the other loads above 50% that might
620 benefit from running at turbo frequencies will be given non-turbo P-states
621 instead.
622
623 One more issue related to that may appear on systems supporting the
624 `Configurable TDP feature <turbo_>`_ allowing the platform firmware to set the
625 turbo threshold.  Namely, if that is not coordinated with the lists of P-states
626 returned by ``_PSS`` properly, there may be more than one item corresponding to
627 a turbo P-state in those lists and there may be a problem with avoiding the
628 turbo range (if desirable or necessary).  Usually, to avoid using turbo
629 P-states overall, ``acpi-cpufreq`` simply avoids using the topmost state listed
630 by ``_PSS``, but that is not sufficient when there are other turbo P-states in
631 the list returned by it.
632
633 Apart from the above, ``acpi-cpufreq`` works like ``intel_pstate`` in the
634 `passive mode <Passive Mode_>`_, except that the number of P-states it can set
635 is limited to the ones listed by the ACPI ``_PSS`` objects.
636
637
638 Kernel Command Line Options for ``intel_pstate``
639 ================================================
640
641 Several kernel command line options can be used to pass early-configuration-time
642 parameters to ``intel_pstate`` in order to enforce specific behavior of it.  All
643 of them have to be prepended with the ``intel_pstate=`` prefix.
644
645 ``disable``
646         Do not register ``intel_pstate`` as the scaling driver even if the
647         processor is supported by it.
648
649 ``active``
650         Register ``intel_pstate`` in the `active mode <Active Mode_>`_ to start
651         with.
652
653 ``passive``
654         Register ``intel_pstate`` in the `passive mode <Passive Mode_>`_ to
655         start with.
656
657 ``force``
658         Register ``intel_pstate`` as the scaling driver instead of
659         ``acpi-cpufreq`` even if the latter is preferred on the given system.
660
661         This may prevent some platform features (such as thermal controls and
662         power capping) that rely on the availability of ACPI P-states
663         information from functioning as expected, so it should be used with
664         caution.
665
666         This option does not work with processors that are not supported by
667         ``intel_pstate`` and on platforms where the ``pcc-cpufreq`` scaling
668         driver is used instead of ``acpi-cpufreq``.
669
670 ``no_hwp``
671         Do not enable the hardware-managed P-states (HWP) feature even if it is
672         supported by the processor.
673
674 ``hwp_only``
675         Register ``intel_pstate`` as the scaling driver only if the
676         hardware-managed P-states (HWP) feature is supported by the processor.
677
678 ``support_acpi_ppc``
679         Take ACPI ``_PPC`` performance limits into account.
680
681         If the preferred power management profile in the FADT (Fixed ACPI
682         Description Table) is set to "Enterprise Server" or "Performance
683         Server", the ACPI ``_PPC`` limits are taken into account by default
684         and this option has no effect.
685
686 ``per_cpu_perf_limits``
687         Use per-logical-CPU P-State limits (see `Coordination of P-state
688         Limits`_ for details).
689
690
691 Diagnostics and Tuning
692 ======================
693
694 Trace Events
695 ------------
696
697 There are two static trace events that can be used for ``intel_pstate``
698 diagnostics.  One of them is the ``cpu_frequency`` trace event generally used
699 by ``CPUFreq``, and the other one is the ``pstate_sample`` trace event specific
700 to ``intel_pstate``.  Both of them are triggered by ``intel_pstate`` only if
701 it works in the `active mode <Active Mode_>`_.
702
703 The following sequence of shell commands can be used to enable them and see
704 their output (if the kernel is generally configured to support event tracing)::
705
706  # cd /sys/kernel/debug/tracing/
707  # echo 1 > events/power/pstate_sample/enable
708  # echo 1 > events/power/cpu_frequency/enable
709  # cat trace
710  gnome-terminal--4510  [001] ..s.  1177.680733: pstate_sample: core_busy=107 scaled=94 from=26 to=26 mperf=1143818 aperf=1230607 tsc=29838618 freq=2474476
711  cat-5235  [002] ..s.  1177.681723: cpu_frequency: state=2900000 cpu_id=2
712
713 If ``intel_pstate`` works in the `passive mode <Passive Mode_>`_, the
714 ``cpu_frequency`` trace event will be triggered either by the ``schedutil``
715 scaling governor (for the policies it is attached to), or by the ``CPUFreq``
716 core (for the policies with other scaling governors).
717
718 ``ftrace``
719 ----------
720
721 The ``ftrace`` interface can be used for low-level diagnostics of
722 ``intel_pstate``.  For example, to check how often the function to set a
723 P-state is called, the ``ftrace`` filter can be set to
724 :c:func:`intel_pstate_set_pstate`::
725
726  # cd /sys/kernel/debug/tracing/
727  # cat available_filter_functions | grep -i pstate
728  intel_pstate_set_pstate
729  intel_pstate_cpu_init
730  ...
731  # echo intel_pstate_set_pstate > set_ftrace_filter
732  # echo function > current_tracer
733  # cat trace | head -15
734  # tracer: function
735  #
736  # entries-in-buffer/entries-written: 80/80   #P:4
737  #
738  #                              _-----=> irqs-off
739  #                             / _----=> need-resched
740  #                            | / _---=> hardirq/softirq
741  #                            || / _--=> preempt-depth
742  #                            ||| /     delay
743  #           TASK-PID   CPU#  ||||    TIMESTAMP  FUNCTION
744  #              | |       |   ||||       |         |
745              Xorg-3129  [000] ..s.  2537.644844: intel_pstate_set_pstate <-intel_pstate_timer_func
746   gnome-terminal--4510  [002] ..s.  2537.649844: intel_pstate_set_pstate <-intel_pstate_timer_func
747       gnome-shell-3409  [001] ..s.  2537.650850: intel_pstate_set_pstate <-intel_pstate_timer_func
748            <idle>-0     [000] ..s.  2537.654843: intel_pstate_set_pstate <-intel_pstate_timer_func
749
750
751 References
752 ==========
753
754 .. [1] Kristen Accardi, *Balancing Power and Performance in the Linux Kernel*,
755        https://events.static.linuxfound.org/sites/events/files/slides/LinuxConEurope_2015.pdf
756
757 .. [2] *Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3: System Programming Guide*,
758        https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/64-ia-32-architectures-software-developer-system-programming-manual-325384.html
759
760 .. [3] *Advanced Configuration and Power Interface Specification*,
761        https://uefi.org/sites/default/files/resources/ACPI_6_3_final_Jan30.pdf