1d1c411d4cae97597fd4000633ec7a435385a898
[linux-2.6-microblaze.git] / kernel / irq / timings.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 // Copyright (C) 2016, Linaro Ltd - Daniel Lezcano <daniel.lezcano@linaro.org>
3
4 #include <linux/kernel.h>
5 #include <linux/percpu.h>
6 #include <linux/slab.h>
7 #include <linux/static_key.h>
8 #include <linux/interrupt.h>
9 #include <linux/idr.h>
10 #include <linux/irq.h>
11 #include <linux/math64.h>
12 #include <linux/log2.h>
13
14 #include <trace/events/irq.h>
15
16 #include "internals.h"
17
18 DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(irq_timing_enabled);
19
20 DEFINE_PER_CPU(struct irq_timings, irq_timings);
21
22 static DEFINE_IDR(irqt_stats);
23
24 void irq_timings_enable(void)
25 {
26         static_branch_enable(&irq_timing_enabled);
27 }
28
29 void irq_timings_disable(void)
30 {
31         static_branch_disable(&irq_timing_enabled);
32 }
33
34 /*
35  * The main goal of this algorithm is to predict the next interrupt
36  * occurrence on the current CPU.
37  *
38  * Currently, the interrupt timings are stored in a circular array
39  * buffer every time there is an interrupt, as a tuple: the interrupt
40  * number and the associated timestamp when the event occurred <irq,
41  * timestamp>.
42  *
43  * For every interrupt occurring in a short period of time, we can
44  * measure the elapsed time between the occurrences for the same
45  * interrupt and we end up with a suite of intervals. The experience
46  * showed the interrupts are often coming following a periodic
47  * pattern.
48  *
49  * The objective of the algorithm is to find out this periodic pattern
50  * in a fastest way and use its period to predict the next irq event.
51  *
52  * When the next interrupt event is requested, we are in the situation
53  * where the interrupts are disabled and the circular buffer
54  * containing the timings is filled with the events which happened
55  * after the previous next-interrupt-event request.
56  *
57  * At this point, we read the circular buffer and we fill the irq
58  * related statistics structure. After this step, the circular array
59  * containing the timings is empty because all the values are
60  * dispatched in their corresponding buffers.
61  *
62  * Now for each interrupt, we can predict the next event by using the
63  * suffix array, log interval and exponential moving average
64  *
65  * 1. Suffix array
66  *
67  * Suffix array is an array of all the suffixes of a string. It is
68  * widely used as a data structure for compression, text search, ...
69  * For instance for the word 'banana', the suffixes will be: 'banana'
70  * 'anana' 'nana' 'ana' 'na' 'a'
71  *
72  * Usually, the suffix array is sorted but for our purpose it is
73  * not necessary and won't provide any improvement in the context of
74  * the solved problem where we clearly define the boundaries of the
75  * search by a max period and min period.
76  *
77  * The suffix array will build a suite of intervals of different
78  * length and will look for the repetition of each suite. If the suite
79  * is repeating then we have the period because it is the length of
80  * the suite whatever its position in the buffer.
81  *
82  * 2. Log interval
83  *
84  * We saw the irq timings allow to compute the interval of the
85  * occurrences for a specific interrupt. We can reasonibly assume the
86  * longer is the interval, the higher is the error for the next event
87  * and we can consider storing those interval values into an array
88  * where each slot in the array correspond to an interval at the power
89  * of 2 of the index. For example, index 12 will contain values
90  * between 2^11 and 2^12.
91  *
92  * At the end we have an array of values where at each index defines a
93  * [2^index - 1, 2 ^ index] interval values allowing to store a large
94  * number of values inside a small array.
95  *
96  * For example, if we have the value 1123, then we store it at
97  * ilog2(1123) = 10 index value.
98  *
99  * Storing those value at the specific index is done by computing an
100  * exponential moving average for this specific slot. For instance,
101  * for values 1800, 1123, 1453, ... fall under the same slot (10) and
102  * the exponential moving average is computed every time a new value
103  * is stored at this slot.
104  *
105  * 3. Exponential Moving Average
106  *
107  * The EMA is largely used to track a signal for stocks or as a low
108  * pass filter. The magic of the formula, is it is very simple and the
109  * reactivity of the average can be tuned with the factors called
110  * alpha.
111  *
112  * The higher the alphas are, the faster the average respond to the
113  * signal change. In our case, if a slot in the array is a big
114  * interval, we can have numbers with a big difference between
115  * them. The impact of those differences in the average computation
116  * can be tuned by changing the alpha value.
117  *
118  *
119  *  -- The algorithm --
120  *
121  * We saw the different processing above, now let's see how they are
122  * used together.
123  *
124  * For each interrupt:
125  *      For each interval:
126  *              Compute the index = ilog2(interval)
127  *              Compute a new_ema(buffer[index], interval)
128  *              Store the index in a circular buffer
129  *
130  *      Compute the suffix array of the indexes
131  *
132  *      For each suffix:
133  *              If the suffix is reverse-found 3 times
134  *                      Return suffix
135  *
136  *      Return Not found
137  *
138  * However we can not have endless suffix array to be build, it won't
139  * make sense and it will add an extra overhead, so we can restrict
140  * this to a maximum suffix length of 5 and a minimum suffix length of
141  * 2. The experience showed 5 is the majority of the maximum pattern
142  * period found for different devices.
143  *
144  * The result is a pattern finding less than 1us for an interrupt.
145  *
146  * Example based on real values:
147  *
148  * Example 1 : MMC write/read interrupt interval:
149  *
150  *      223947, 1240, 1384, 1386, 1386,
151  *      217416, 1236, 1384, 1386, 1387,
152  *      214719, 1241, 1386, 1387, 1384,
153  *      213696, 1234, 1384, 1386, 1388,
154  *      219904, 1240, 1385, 1389, 1385,
155  *      212240, 1240, 1386, 1386, 1386,
156  *      214415, 1236, 1384, 1386, 1387,
157  *      214276, 1234, 1384, 1388, ?
158  *
159  * For each element, apply ilog2(value)
160  *
161  *      15, 8, 8, 8, 8,
162  *      15, 8, 8, 8, 8,
163  *      15, 8, 8, 8, 8,
164  *      15, 8, 8, 8, 8,
165  *      15, 8, 8, 8, 8,
166  *      15, 8, 8, 8, 8,
167  *      15, 8, 8, 8, 8,
168  *      15, 8, 8, 8, ?
169  *
170  * Max period of 5, we take the last (max_period * 3) 15 elements as
171  * we can be confident if the pattern repeats itself three times it is
172  * a repeating pattern.
173  *
174  *                   8,
175  *      15, 8, 8, 8, 8,
176  *      15, 8, 8, 8, 8,
177  *      15, 8, 8, 8, ?
178  *
179  * Suffixes are:
180  *
181  *  1) 8, 15, 8, 8, 8  <- max period
182  *  2) 8, 15, 8, 8
183  *  3) 8, 15, 8
184  *  4) 8, 15           <- min period
185  *
186  * From there we search the repeating pattern for each suffix.
187  *
188  * buffer: 8, 15, 8, 8, 8, 8, 15, 8, 8, 8, 8, 15, 8, 8, 8
189  *         |   |  |  |  |  |   |  |  |  |  |   |  |  |  |
190  *         8, 15, 8, 8, 8  |   |  |  |  |  |   |  |  |  |
191  *                         8, 15, 8, 8, 8  |   |  |  |  |
192  *                                         8, 15, 8, 8, 8
193  *
194  * When moving the suffix, we found exactly 3 matches.
195  *
196  * The first suffix with period 5 is repeating.
197  *
198  * The next event is (3 * max_period) % suffix_period
199  *
200  * In this example, the result 0, so the next event is suffix[0] => 8
201  *
202  * However, 8 is the index in the array of exponential moving average
203  * which was calculated on the fly when storing the values, so the
204  * interval is ema[8] = 1366
205  *
206  *
207  * Example 2:
208  *
209  *      4, 3, 5, 100,
210  *      3, 3, 5, 117,
211  *      4, 4, 5, 112,
212  *      4, 3, 4, 110,
213  *      3, 5, 3, 117,
214  *      4, 4, 5, 112,
215  *      4, 3, 4, 110,
216  *      3, 4, 5, 112,
217  *      4, 3, 4, 110
218  *
219  * ilog2
220  *
221  *      0, 0, 0, 4,
222  *      0, 0, 0, 4,
223  *      0, 0, 0, 4,
224  *      0, 0, 0, 4,
225  *      0, 0, 0, 4,
226  *      0, 0, 0, 4,
227  *      0, 0, 0, 4,
228  *      0, 0, 0, 4,
229  *      0, 0, 0, 4
230  *
231  * Max period 5:
232  *         0, 0, 4,
233  *      0, 0, 0, 4,
234  *      0, 0, 0, 4,
235  *      0, 0, 0, 4
236  *
237  * Suffixes:
238  *
239  *  1) 0, 0, 4, 0, 0
240  *  2) 0, 0, 4, 0
241  *  3) 0, 0, 4
242  *  4) 0, 0
243  *
244  * buffer: 0, 0, 4, 0, 0, 0, 4, 0, 0, 0, 4, 0, 0, 0, 4
245  *         |  |  |  |  |  |  X
246  *         0, 0, 4, 0, 0, |  X
247  *                        0, 0
248  *
249  * buffer: 0, 0, 4, 0, 0, 0, 4, 0, 0, 0, 4, 0, 0, 0, 4
250  *         |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
251  *         0, 0, 4, 0, |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
252  *                     0, 0, 4, 0, |  |  |  |  |  |  |
253  *                                 0, 0, 4, 0, |  |  |
254  *                                             0  0  4
255  *
256  * Pattern is found 3 times, the remaining is 1 which results from
257  * (max_period * 3) % suffix_period. This value is the index in the
258  * suffix arrays. The suffix array for a period 4 has the value 4
259  * at index 1.
260  */
261 #define EMA_ALPHA_VAL           64
262 #define EMA_ALPHA_SHIFT         7
263
264 #define PREDICTION_PERIOD_MIN   3
265 #define PREDICTION_PERIOD_MAX   5
266 #define PREDICTION_FACTOR       4
267 #define PREDICTION_MAX          10 /* 2 ^ PREDICTION_MAX useconds */
268 #define PREDICTION_BUFFER_SIZE  16 /* slots for EMAs, hardly more than 16 */
269
270 /*
271  * Number of elements in the circular buffer: If it happens it was
272  * flushed before, then the number of elements could be smaller than
273  * IRQ_TIMINGS_SIZE, so the count is used, otherwise the array size is
274  * used as we wrapped. The index begins from zero when we did not
275  * wrap. That could be done in a nicer way with the proper circular
276  * array structure type but with the cost of extra computation in the
277  * interrupt handler hot path. We choose efficiency.
278  */
279 #define for_each_irqts(i, irqts)                                        \
280         for (i = irqts->count < IRQ_TIMINGS_SIZE ?                      \
281                      0 : irqts->count & IRQ_TIMINGS_MASK,               \
282                      irqts->count = min(IRQ_TIMINGS_SIZE,               \
283                                         irqts->count);                  \
284              irqts->count > 0; irqts->count--,                          \
285                      i = (i + 1) & IRQ_TIMINGS_MASK)
286
287 struct irqt_stat {
288         u64     last_ts;
289         u64     ema_time[PREDICTION_BUFFER_SIZE];
290         int     timings[IRQ_TIMINGS_SIZE];
291         int     circ_timings[IRQ_TIMINGS_SIZE];
292         int     count;
293 };
294
295 /*
296  * Exponential moving average computation
297  */
298 static u64 irq_timings_ema_new(u64 value, u64 ema_old)
299 {
300         s64 diff;
301
302         if (unlikely(!ema_old))
303                 return value;
304
305         diff = (value - ema_old) * EMA_ALPHA_VAL;
306         /*
307          * We can use a s64 type variable to be added with the u64
308          * ema_old variable as this one will never have its topmost
309          * bit set, it will be always smaller than 2^63 nanosec
310          * interrupt interval (292 years).
311          */
312         return ema_old + (diff >> EMA_ALPHA_SHIFT);
313 }
314
315 static int irq_timings_next_event_index(int *buffer, size_t len, int period_max)
316 {
317         int period;
318
319         /*
320          * Move the beginning pointer to the end minus the max period x 3.
321          * We are at the point we can begin searching the pattern
322          */
323         buffer = &buffer[len - (period_max * 3)];
324
325         /* Adjust the length to the maximum allowed period x 3 */
326         len = period_max * 3;
327
328         /*
329          * The buffer contains the suite of intervals, in a ilog2
330          * basis, we are looking for a repetition. We point the
331          * beginning of the search three times the length of the
332          * period beginning at the end of the buffer. We do that for
333          * each suffix.
334          */
335         for (period = period_max; period >= PREDICTION_PERIOD_MIN; period--) {
336
337                 /*
338                  * The first comparison always succeed because the
339                  * suffix is deduced from the first n-period bytes of
340                  * the buffer and we compare the initial suffix with
341                  * itself, so we can skip the first iteration.
342                  */
343                 int idx = period;
344                 size_t size = period;
345
346                 /*
347                  * We look if the suite with period 'i' repeat
348                  * itself. If it is truncated at the end, as it
349                  * repeats we can use the period to find out the next
350                  * element with the modulo.
351                  */
352                 while (!memcmp(buffer, &buffer[idx], size * sizeof(int))) {
353
354                         /*
355                          * Move the index in a period basis
356                          */
357                         idx += size;
358
359                         /*
360                          * If this condition is reached, all previous
361                          * memcmp were successful, so the period is
362                          * found.
363                          */
364                         if (idx == len)
365                                 return buffer[len % period];
366
367                         /*
368                          * If the remaining elements to compare are
369                          * smaller than the period, readjust the size
370                          * of the comparison for the last iteration.
371                          */
372                         if (len - idx < period)
373                                 size = len - idx;
374                 }
375         }
376
377         return -1;
378 }
379
380 static u64 __irq_timings_next_event(struct irqt_stat *irqs, int irq, u64 now)
381 {
382         int index, i, period_max, count, start, min = INT_MAX;
383
384         if ((now - irqs->last_ts) >= NSEC_PER_SEC) {
385                 irqs->count = irqs->last_ts = 0;
386                 return U64_MAX;
387         }
388
389         /*
390          * As we want to find three times the repetition, we need a
391          * number of intervals greater or equal to three times the
392          * maximum period, otherwise we truncate the max period.
393          */
394         period_max = irqs->count > (3 * PREDICTION_PERIOD_MAX) ?
395                 PREDICTION_PERIOD_MAX : irqs->count / 3;
396
397         /*
398          * If we don't have enough irq timings for this prediction,
399          * just bail out.
400          */
401         if (period_max <= PREDICTION_PERIOD_MIN)
402                 return U64_MAX;
403
404         /*
405          * 'count' will depends if the circular buffer wrapped or not
406          */
407         count = irqs->count < IRQ_TIMINGS_SIZE ?
408                 irqs->count : IRQ_TIMINGS_SIZE;
409
410         start = irqs->count < IRQ_TIMINGS_SIZE ?
411                 0 : (irqs->count & IRQ_TIMINGS_MASK);
412
413         /*
414          * Copy the content of the circular buffer into another buffer
415          * in order to linearize the buffer instead of dealing with
416          * wrapping indexes and shifted array which will be prone to
417          * error and extremelly difficult to debug.
418          */
419         for (i = 0; i < count; i++) {
420                 int index = (start + i) & IRQ_TIMINGS_MASK;
421
422                 irqs->timings[i] = irqs->circ_timings[index];
423                 min = min_t(int, irqs->timings[i], min);
424         }
425
426         index = irq_timings_next_event_index(irqs->timings, count, period_max);
427         if (index < 0)
428                 return irqs->last_ts + irqs->ema_time[min];
429
430         return irqs->last_ts + irqs->ema_time[index];
431 }
432
433 static inline void irq_timings_store(int irq, struct irqt_stat *irqs, u64 ts)
434 {
435         u64 old_ts = irqs->last_ts;
436         u64 interval;
437         int index;
438
439         /*
440          * The timestamps are absolute time values, we need to compute
441          * the timing interval between two interrupts.
442          */
443         irqs->last_ts = ts;
444
445         /*
446          * The interval type is u64 in order to deal with the same
447          * type in our computation, that prevent mindfuck issues with
448          * overflow, sign and division.
449          */
450         interval = ts - old_ts;
451
452         /*
453          * The interrupt triggered more than one second apart, that
454          * ends the sequence as predictible for our purpose. In this
455          * case, assume we have the beginning of a sequence and the
456          * timestamp is the first value. As it is impossible to
457          * predict anything at this point, return.
458          *
459          * Note the first timestamp of the sequence will always fall
460          * in this test because the old_ts is zero. That is what we
461          * want as we need another timestamp to compute an interval.
462          */
463         if (interval >= NSEC_PER_SEC) {
464                 irqs->count = 0;
465                 return;
466         }
467
468         /*
469          * Get the index in the ema table for this interrupt. The
470          * PREDICTION_FACTOR increase the interval size for the array
471          * of exponential average.
472          */
473         index = likely(interval) ?
474                 ilog2((interval >> 10) / PREDICTION_FACTOR) : 0;
475
476         /*
477          * Store the index as an element of the pattern in another
478          * circular array.
479          */
480         irqs->circ_timings[irqs->count & IRQ_TIMINGS_MASK] = index;
481
482         irqs->ema_time[index] = irq_timings_ema_new(interval,
483                                                     irqs->ema_time[index]);
484
485         irqs->count++;
486 }
487
488 /**
489  * irq_timings_next_event - Return when the next event is supposed to arrive
490  *
491  * During the last busy cycle, the number of interrupts is incremented
492  * and stored in the irq_timings structure. This information is
493  * necessary to:
494  *
495  * - know if the index in the table wrapped up:
496  *
497  *      If more than the array size interrupts happened during the
498  *      last busy/idle cycle, the index wrapped up and we have to
499  *      begin with the next element in the array which is the last one
500  *      in the sequence, otherwise it is a the index 0.
501  *
502  * - have an indication of the interrupts activity on this CPU
503  *   (eg. irq/sec)
504  *
505  * The values are 'consumed' after inserting in the statistical model,
506  * thus the count is reinitialized.
507  *
508  * The array of values **must** be browsed in the time direction, the
509  * timestamp must increase between an element and the next one.
510  *
511  * Returns a nanosec time based estimation of the earliest interrupt,
512  * U64_MAX otherwise.
513  */
514 u64 irq_timings_next_event(u64 now)
515 {
516         struct irq_timings *irqts = this_cpu_ptr(&irq_timings);
517         struct irqt_stat *irqs;
518         struct irqt_stat __percpu *s;
519         u64 ts, next_evt = U64_MAX;
520         int i, irq = 0;
521
522         /*
523          * This function must be called with the local irq disabled in
524          * order to prevent the timings circular buffer to be updated
525          * while we are reading it.
526          */
527         lockdep_assert_irqs_disabled();
528
529         if (!irqts->count)
530                 return next_evt;
531
532         /*
533          * Number of elements in the circular buffer: If it happens it
534          * was flushed before, then the number of elements could be
535          * smaller than IRQ_TIMINGS_SIZE, so the count is used,
536          * otherwise the array size is used as we wrapped. The index
537          * begins from zero when we did not wrap. That could be done
538          * in a nicer way with the proper circular array structure
539          * type but with the cost of extra computation in the
540          * interrupt handler hot path. We choose efficiency.
541          *
542          * Inject measured irq/timestamp to the pattern prediction
543          * model while decrementing the counter because we consume the
544          * data from our circular buffer.
545          */
546         for_each_irqts(i, irqts) {
547                 irq = irq_timing_decode(irqts->values[i], &ts);
548                 s = idr_find(&irqt_stats, irq);
549                 if (s)
550                         irq_timings_store(irq, this_cpu_ptr(s), ts);
551         }
552
553         /*
554          * Look in the list of interrupts' statistics, the earliest
555          * next event.
556          */
557         idr_for_each_entry(&irqt_stats, s, i) {
558
559                 irqs = this_cpu_ptr(s);
560
561                 ts = __irq_timings_next_event(irqs, i, now);
562                 if (ts <= now)
563                         return now;
564
565                 if (ts < next_evt)
566                         next_evt = ts;
567         }
568
569         return next_evt;
570 }
571
572 void irq_timings_free(int irq)
573 {
574         struct irqt_stat __percpu *s;
575
576         s = idr_find(&irqt_stats, irq);
577         if (s) {
578                 free_percpu(s);
579                 idr_remove(&irqt_stats, irq);
580         }
581 }
582
583 int irq_timings_alloc(int irq)
584 {
585         struct irqt_stat __percpu *s;
586         int id;
587
588         /*
589          * Some platforms can have the same private interrupt per cpu,
590          * so this function may be be called several times with the
591          * same interrupt number. Just bail out in case the per cpu
592          * stat structure is already allocated.
593          */
594         s = idr_find(&irqt_stats, irq);
595         if (s)
596                 return 0;
597
598         s = alloc_percpu(*s);
599         if (!s)
600                 return -ENOMEM;
601
602         idr_preload(GFP_KERNEL);
603         id = idr_alloc(&irqt_stats, s, irq, irq + 1, GFP_NOWAIT);
604         idr_preload_end();
605
606         if (id < 0) {
607                 free_percpu(s);
608                 return id;
609         }
610
611         return 0;
612 }