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[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / admin-guide / pm / intel_idle.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 .. include:: <isonum.txt>
3
4 ==============================================
5 ``intel_idle`` CPU Idle Time Management Driver
6 ==============================================
7
8 :Copyright: |copy| 2020 Intel Corporation
9
10 :Author: Rafael J. Wysocki <rafael.j.wysocki@intel.com>
11
12
13 General Information
14 ===================
15
16 ``intel_idle`` is a part of the
17 :doc:`CPU idle time management subsystem <cpuidle>` in the Linux kernel
18 (``CPUIdle``).  It is the default CPU idle time management driver for the
19 Nehalem and later generations of Intel processors, but the level of support for
20 a particular processor model in it depends on whether or not it recognizes that
21 processor model and may also depend on information coming from the platform
22 firmware.  [To understand ``intel_idle`` it is necessary to know how ``CPUIdle``
23 works in general, so this is the time to get familiar with
24 Documentation/admin-guide/pm/cpuidle.rst if you have not done that yet.]
25
26 ``intel_idle`` uses the ``MWAIT`` instruction to inform the processor that the
27 logical CPU executing it is idle and so it may be possible to put some of the
28 processor's functional blocks into low-power states.  That instruction takes two
29 arguments (passed in the ``EAX`` and ``ECX`` registers of the target CPU), the
30 first of which, referred to as a *hint*, can be used by the processor to
31 determine what can be done (for details refer to Intel Software Developer’s
32 Manual [1]_).  Accordingly, ``intel_idle`` refuses to work with processors in
33 which the support for the ``MWAIT`` instruction has been disabled (for example,
34 via the platform firmware configuration menu) or which do not support that
35 instruction at all.
36
37 ``intel_idle`` is not modular, so it cannot be unloaded, which means that the
38 only way to pass early-configuration-time parameters to it is via the kernel
39 command line.
40
41
42 .. _intel-idle-enumeration-of-states:
43
44 Enumeration of Idle States
45 ==========================
46
47 Each ``MWAIT`` hint value is interpreted by the processor as a license to
48 reconfigure itself in a certain way in order to save energy.  The processor
49 configurations (with reduced power draw) resulting from that are referred to
50 as C-states (in the ACPI terminology) or idle states.  The list of meaningful
51 ``MWAIT`` hint values and idle states (i.e. low-power configurations of the
52 processor) corresponding to them depends on the processor model and it may also
53 depend on the configuration of the platform.
54
55 In order to create a list of available idle states required by the ``CPUIdle``
56 subsystem (see :ref:`idle-states-representation` in
57 Documentation/admin-guide/pm/cpuidle.rst),
58 ``intel_idle`` can use two sources of information: static tables of idle states
59 for different processor models included in the driver itself and the ACPI tables
60 of the system.  The former are always used if the processor model at hand is
61 recognized by ``intel_idle`` and the latter are used if that is required for
62 the given processor model (which is the case for all server processor models
63 recognized by ``intel_idle``) or if the processor model is not recognized.
64 [There is a module parameter that can be used to make the driver use the ACPI
65 tables with any processor model recognized by it; see
66 `below <intel-idle-parameters_>`_.]
67
68 If the ACPI tables are going to be used for building the list of available idle
69 states, ``intel_idle`` first looks for a ``_CST`` object under one of the ACPI
70 objects corresponding to the CPUs in the system (refer to the ACPI specification
71 [2]_ for the description of ``_CST`` and its output package).  Because the
72 ``CPUIdle`` subsystem expects that the list of idle states supplied by the
73 driver will be suitable for all of the CPUs handled by it and ``intel_idle`` is
74 registered as the ``CPUIdle`` driver for all of the CPUs in the system, the
75 driver looks for the first ``_CST`` object returning at least one valid idle
76 state description and such that all of the idle states included in its return
77 package are of the FFH (Functional Fixed Hardware) type, which means that the
78 ``MWAIT`` instruction is expected to be used to tell the processor that it can
79 enter one of them.  The return package of that ``_CST`` is then assumed to be
80 applicable to all of the other CPUs in the system and the idle state
81 descriptions extracted from it are stored in a preliminary list of idle states
82 coming from the ACPI tables.  [This step is skipped if ``intel_idle`` is
83 configured to ignore the ACPI tables; see `below <intel-idle-parameters_>`_.]
84
85 Next, the first (index 0) entry in the list of available idle states is
86 initialized to represent a "polling idle state" (a pseudo-idle state in which
87 the target CPU continuously fetches and executes instructions), and the
88 subsequent (real) idle state entries are populated as follows.
89
90 If the processor model at hand is recognized by ``intel_idle``, there is a
91 (static) table of idle state descriptions for it in the driver.  In that case,
92 the "internal" table is the primary source of information on idle states and the
93 information from it is copied to the final list of available idle states.  If
94 using the ACPI tables for the enumeration of idle states is not required
95 (depending on the processor model), all of the listed idle state are enabled by
96 default (so all of them will be taken into consideration by ``CPUIdle``
97 governors during CPU idle state selection).  Otherwise, some of the listed idle
98 states may not be enabled by default if there are no matching entries in the
99 preliminary list of idle states coming from the ACPI tables.  In that case user
100 space still can enable them later (on a per-CPU basis) with the help of
101 the ``disable`` idle state attribute in ``sysfs`` (see
102 :ref:`idle-states-representation` in
103 Documentation/admin-guide/pm/cpuidle.rst).  This basically means that
104 the idle states "known" to the driver may not be enabled by default if they have
105 not been exposed by the platform firmware (through the ACPI tables).
106
107 If the given processor model is not recognized by ``intel_idle``, but it
108 supports ``MWAIT``, the preliminary list of idle states coming from the ACPI
109 tables is used for building the final list that will be supplied to the
110 ``CPUIdle`` core during driver registration.  For each idle state in that list,
111 the description, ``MWAIT`` hint and exit latency are copied to the corresponding
112 entry in the final list of idle states.  The name of the idle state represented
113 by it (to be returned by the ``name`` idle state attribute in ``sysfs``) is
114 "CX_ACPI", where X is the index of that idle state in the final list (note that
115 the minimum value of X is 1, because 0 is reserved for the "polling" state), and
116 its target residency is based on the exit latency value.  Specifically, for
117 C1-type idle states the exit latency value is also used as the target residency
118 (for compatibility with the majority of the "internal" tables of idle states for
119 various processor models recognized by ``intel_idle``) and for the other idle
120 state types (C2 and C3) the target residency value is 3 times the exit latency
121 (again, that is because it reflects the target residency to exit latency ratio
122 in the majority of cases for the processor models recognized by ``intel_idle``).
123 All of the idle states in the final list are enabled by default in this case.
124
125
126 .. _intel-idle-initialization:
127
128 Initialization
129 ==============
130
131 The initialization of ``intel_idle`` starts with checking if the kernel command
132 line options forbid the use of the ``MWAIT`` instruction.  If that is the case,
133 an error code is returned right away.
134
135 The next step is to check whether or not the processor model is known to the
136 driver, which determines the idle states enumeration method (see
137 `above <intel-idle-enumeration-of-states_>`_), and whether or not the processor
138 supports ``MWAIT`` (the initialization fails if that is not the case).  Then,
139 the ``MWAIT`` support in the processor is enumerated through ``CPUID`` and the
140 driver initialization fails if the level of support is not as expected (for
141 example, if the total number of ``MWAIT`` substates returned is 0).
142
143 Next, if the driver is not configured to ignore the ACPI tables (see
144 `below <intel-idle-parameters_>`_), the idle states information provided by the
145 platform firmware is extracted from them.
146
147 Then, ``CPUIdle`` device objects are allocated for all CPUs and the list of
148 available idle states is created as explained
149 `above <intel-idle-enumeration-of-states_>`_.
150
151 Finally, ``intel_idle`` is registered with the help of cpuidle_register_driver()
152 as the ``CPUIdle`` driver for all CPUs in the system and a CPU online callback
153 for configuring individual CPUs is registered via cpuhp_setup_state(), which
154 (among other things) causes the callback routine to be invoked for all of the
155 CPUs present in the system at that time (each CPU executes its own instance of
156 the callback routine).  That routine registers a ``CPUIdle`` device for the CPU
157 running it (which enables the ``CPUIdle`` subsystem to operate that CPU) and
158 optionally performs some CPU-specific initialization actions that may be
159 required for the given processor model.
160
161
162 .. _intel-idle-parameters:
163
164 Kernel Command Line Options and Module Parameters
165 =================================================
166
167 The *x86* architecture support code recognizes three kernel command line
168 options related to CPU idle time management: ``idle=poll``, ``idle=halt``,
169 and ``idle=nomwait``.  If any of them is present in the kernel command line, the
170 ``MWAIT`` instruction is not allowed to be used, so the initialization of
171 ``intel_idle`` will fail.
172
173 Apart from that there are four module parameters recognized by ``intel_idle``
174 itself that can be set via the kernel command line (they cannot be updated via
175 sysfs, so that is the only way to change their values).
176
177 The ``max_cstate`` parameter value is the maximum idle state index in the list
178 of idle states supplied to the ``CPUIdle`` core during the registration of the
179 driver.  It is also the maximum number of regular (non-polling) idle states that
180 can be used by ``intel_idle``, so the enumeration of idle states is terminated
181 after finding that number of usable idle states (the other idle states that
182 potentially might have been used if ``max_cstate`` had been greater are not
183 taken into consideration at all).  Setting ``max_cstate`` can prevent
184 ``intel_idle`` from exposing idle states that are regarded as "too deep" for
185 some reason to the ``CPUIdle`` core, but it does so by making them effectively
186 invisible until the system is shut down and started again which may not always
187 be desirable.  In practice, it is only really necessary to do that if the idle
188 states in question cannot be enabled during system startup, because in the
189 working state of the system the CPU power management quality of service (PM
190 QoS) feature can be used to prevent ``CPUIdle`` from touching those idle states
191 even if they have been enumerated (see :ref:`cpu-pm-qos` in
192 Documentation/admin-guide/pm/cpuidle.rst).
193 Setting ``max_cstate`` to 0 causes the ``intel_idle`` initialization to fail.
194
195 The ``no_acpi`` and ``use_acpi`` module parameters (recognized by ``intel_idle``
196 if the kernel has been configured with ACPI support) can be set to make the
197 driver ignore the system's ACPI tables entirely or use them for all of the
198 recognized processor models, respectively (they both are unset by default and
199 ``use_acpi`` has no effect if ``no_acpi`` is set).
200
201 The value of the ``states_off`` module parameter (0 by default) represents a
202 list of idle states to be disabled by default in the form of a bitmask.
203
204 Namely, the positions of the bits that are set in the ``states_off`` value are
205 the indices of idle states to be disabled by default (as reflected by the names
206 of the corresponding idle state directories in ``sysfs``, :file:`state0`,
207 :file:`state1` ... :file:`state<i>` ..., where ``<i>`` is the index of the given
208 idle state; see :ref:`idle-states-representation` in
209 Documentation/admin-guide/pm/cpuidle.rst).
210
211 For example, if ``states_off`` is equal to 3, the driver will disable idle
212 states 0 and 1 by default, and if it is equal to 8, idle state 3 will be
213 disabled by default and so on (bit positions beyond the maximum idle state index
214 are ignored).
215
216 The idle states disabled this way can be enabled (on a per-CPU basis) from user
217 space via ``sysfs``.
218
219
220 .. _intel-idle-core-and-package-idle-states:
221
222 Core and Package Levels of Idle States
223 ======================================
224
225 Typically, in a processor supporting the ``MWAIT`` instruction there are (at
226 least) two levels of idle states (or C-states).  One level, referred to as
227 "core C-states", covers individual cores in the processor, whereas the other
228 level, referred to as "package C-states", covers the entire processor package
229 and it may also involve other components of the system (GPUs, memory
230 controllers, I/O hubs etc.).
231
232 Some of the ``MWAIT`` hint values allow the processor to use core C-states only
233 (most importantly, that is the case for the ``MWAIT`` hint value corresponding
234 to the ``C1`` idle state), but the majority of them give it a license to put
235 the target core (i.e. the core containing the logical CPU executing ``MWAIT``
236 with the given hint value) into a specific core C-state and then (if possible)
237 to enter a specific package C-state at the deeper level.  For example, the
238 ``MWAIT`` hint value representing the ``C3`` idle state allows the processor to
239 put the target core into the low-power state referred to as "core ``C3``" (or
240 ``CC3``), which happens if all of the logical CPUs (SMT siblings) in that core
241 have executed ``MWAIT`` with the ``C3`` hint value (or with a hint value
242 representing a deeper idle state), and in addition to that (in the majority of
243 cases) it gives the processor a license to put the entire package (possibly
244 including some non-CPU components such as a GPU or a memory controller) into the
245 low-power state referred to as "package ``C3``" (or ``PC3``), which happens if
246 all of the cores have gone into the ``CC3`` state and (possibly) some additional
247 conditions are satisfied (for instance, if the GPU is covered by ``PC3``, it may
248 be required to be in a certain GPU-specific low-power state for ``PC3`` to be
249 reachable).
250
251 As a rule, there is no simple way to make the processor use core C-states only
252 if the conditions for entering the corresponding package C-states are met, so
253 the logical CPU executing ``MWAIT`` with a hint value that is not core-level
254 only (like for ``C1``) must always assume that this may cause the processor to
255 enter a package C-state.  [That is why the exit latency and target residency
256 values corresponding to the majority of ``MWAIT`` hint values in the "internal"
257 tables of idle states in ``intel_idle`` reflect the properties of package
258 C-states.]  If using package C-states is not desirable at all, either
259 :ref:`PM QoS <cpu-pm-qos>` or the ``max_cstate`` module parameter of
260 ``intel_idle`` described `above <intel-idle-parameters_>`_ must be used to
261 restrict the range of permissible idle states to the ones with core-level only
262 ``MWAIT`` hint values (like ``C1``).
263
264
265 References
266 ==========
267
268 .. [1] *Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 2B*,
269        https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/64-ia-32-architectures-software-developer-vol-2b-manual.html
270
271 .. [2] *Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) Specification*,
272        https://uefi.org/specifications