電源管理入門：PM QoS框架介紹

QoS(Quality Of Service，服務質(zhì)量)，一般在網(wǎng)絡(luò)報文中，某個報文的優(yōu)先級比較高則優(yōu)先傳輸，例如我們覺得微信聊天比看網(wǎng)頁更重要，我們就可以提高微信報文的等級即服務質(zhì)量QoS，來提供好的網(wǎng)絡(luò)服務解決延遲、網(wǎng)絡(luò)阻塞等問題。

在電源管理里面的策略就各種governor，例如什么時候進入cpuidle、什么時候DevFreq等，這些策略是很單一的，算法也都是很單調(diào)的，未考慮到消費者的實際需求，那怎么樣把用戶的需求也在電源管理里面生效呢？

答案就是在governor中引入QoS，在governor中會去查QoS的策略，綜合起來進行決策。

1. 系統(tǒng)框架介紹

1.1 功耗控制可能影響用戶體驗的一些痛點

而且功耗管理會引入對性能的缺點，主要兩方面：

延時（latency）增加：時間的開銷，尤其是在恢復的過程中需要時間。比如，系統(tǒng)喚醒需要經(jīng)過各驅(qū)動的恢復，power domain的上電過程也有時間開銷。

吞吐量（Throughput）減少：低功耗也會帶來算力的影響，會降低算力及網(wǎng)路的吞吐量。比如，cpu dvfs、cpu hotplug、cpu idle等會影響到cpu算力。

比如在usb傳輸?shù)臅r候把dma給限制了，導致傳輸速率下降，這些是用戶不希望看到的。

又比如延時和性能開銷，影響到用戶的體驗，比如界面操作不流暢、卡頓，響應時間過長。

這就像蘋果手機很流暢，優(yōu)先響應用戶的需求，安卓可能更高效但是有點卡，用戶就覺得屏幕劃不動了。但是很明顯蘋果手機更有市場，用戶體驗才是王道！

在面對用戶場景的情況下，我們需要在策略中考慮到用戶使用感受。在用戶眼里更多的看中應用服務，而且不是一味的強調(diào)功耗低，為了核心業(yè)務和用戶體驗是可以適當?shù)臓奚牡模?a target="_blank">產(chǎn)品做出來最終還是要用戶用的，技術(shù)再好，功耗再低，不滿足用戶習慣就是0.

如果把Linux PM當做一種服務，那么他對其他模塊的影響就類比為服務的質(zhì)量，要滿足其他指標不受到影響的情況下最大化的省電，這才是最終目標。那么這里PM QoS的作用就是定義一套框架，以滿足系統(tǒng)（如設(shè)備驅(qū)動等）對QoS的期望為終極目標，通俗的講：根據(jù)實際場景，這些期望可以描述為:xxx不大于某個值等等。

1.2 QoS框架

PM QOS使用constraint（約束）作為指標，用于各模塊對PM的訴求及限制。當前系統(tǒng)的指標主要有兩類，分別對應兩個PM QOS framework。

系統(tǒng)級constraint：包括cpu&dma latency（5.4內(nèi)核），它的實際意義是，當產(chǎn)生一個事件之后（如一個中斷），CPU或DMA的響應延遲。例如有些CPU的串口控制器，只有幾個byte的FIFO，當接收數(shù)據(jù)時，CPU或DMA必須在FIFO填滿前，將數(shù)據(jù)讀走，否則就可能丟失數(shù)據(jù)或者降低數(shù)據(jù)的傳輸速率。由PM QoS classes framework管理，定義在kernel/power/qos.c中。

設(shè)備級constraint：包括從低功耗狀態(tài)resume的latency、active狀態(tài)的latency和一些QoS flag（如是否允許power off）。由per-device PM QoS framework管理，定義在drivers/base/power/qos.c。

整個PM QOS框架分為三部分：

需求方：各service、各driver。他們根據(jù)自己的功能需求，提出系統(tǒng)或某些功能的QOS約束，比如cpu&dma latency。

框架層：PM QOS framework，包含PM QOS classes、per device PM QOS。向需求方提供request的add、modify、remove等接口，用于管理QoS requests。對需求方的約束進行分類，計算出極值，比如cpu&dma latency不小于某個值。向執(zhí)行方提供request value的查詢接口。PM QoS classes framework位于kernel/power/qos.c中，負責系統(tǒng)級別的PM QoS管理，通過misc設(shè)備（/dev/cpu_dma_latency），向用戶空間程序提供PM QoS的request、modify、remove功能，以便滿足各service對PM QoS的需求。per-device PM QoS framework位于drivers/base/power/qos.c中，負責per-device的PM QoS管理。

執(zhí)行方：power management的機制，比如cpuidle、cpu dvfs等。需要滿足由框架層根據(jù)需求方提供的約束計算的極值，才能執(zhí)行相應的低功耗機制。

2. 用戶空間操作流程

2.2 用戶空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和API

struct pm_qos_object {
struct pm_qos_constraints *constraints;
struct miscdevice pm_qos_power_miscdev;
char *name;
};

struct pm_qos_object，在給每個class定義pm_qos_constraints結(jié)構(gòu)體的同時也為每個class定義了miscdev變量，用于給用戶空間提供接口。

這些接口主要實現(xiàn)各類PM QoS需求的匯總和計算極值的工作：add/update/remove等，并且提供接口給到用戶空間process，用于用戶空間的QoS需求，另外還提供了一些notifier API，用于跟蹤指定的PM QoS的變化。

主要API:

void pm_qos_add_request(struct pm_qos_request *req,int pm_qos_class, s32 value)

1）用于向PM QoS framework添加一個QoS請求，主要是根據(jù)指定的pm_qos_class，向pm_qos_class鏈表中插入一個新的pm_qos_request節(jié)點，并且更新target value。

void pm_qos_update_request(struct pm_qos_request *req,s32 new_value)

void pm_qos_update_request_timeout(struct pm_qos_request *req, s32 new_value, unsigned long timeout_us)//在update的基礎(chǔ)上多出來一個定時器，用于特定需求的延遲更新

2） pm_qos_update_request/pm_qos_update_request_timeout,如果應用場景變化需要滿足不同的要求（比如串口波特率變大，相應的響應延遲需要變小），則需要調(diào)用該接口來更新相應的qos請求。函數(shù)體的主要部分pm_qos_update_target和Add相似，這里就不再介紹。

3） pm_qos_remove_request，如果對該class沒有需求，則可以調(diào)用該接口將請求移除。

4） 借助misc設(shè)備向用戶空間提供的接口（open/read/write等），調(diào)用的接口和上面提到的add/remove等類似，這里就不再贅述。

5） pm_qos_add_notifier/ pm_qos_remove_notifier，有部分實體（如cpuidle，比較關(guān)注cpu_dma_latency的指標）會比較關(guān)注某一個pm qos class的target value的變化，kernel提供了這樣一個notifier的機制，該實體可以通過pm_qos_add_notifier接口添加一個notifier，這樣當value變化時，framework便會通過notifier的回調(diào)函數(shù)，通知該實體。

需求方：

執(zhí)行方：

2.1 struct pm_qos_constraints

struct pm_qos_constraints {
struct plist_head list;
s32 target_value;/* Do not change to 64 bit */
s32 default_value;
s32 no_constraint_value;
enum pm_qos_type type;
struct blocking_notifier_head *notifiers;
};

struct pm_qos_request {
struct plist_node node;
int pm_qos_class;
struct delayed_work work; /* for pm_qos_update_request_timeout */
};

struct pm_qos_request用于request的add/update/remove等操作。

struct pm_qos_constraints，pm qos約束，用于抽象某一個特定的PM QoS class。

target_value、default_value，分別是該指標的目標值（滿足所有需求的value，可以是極大值或者極小值等，某一個指標關(guān)注的是極大值還是極小值在初始化的時候已經(jīng)確定），默認值（該指標的默認值，通常是0，表示沒有限制）。

3. 初始化流程

static int __init pm_qos_power_init(void)
{
for (i = PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY; i < PM_QOS_NUM_CLASSES; i++) {
ret = register_pm_qos_misc(pm_qos_array[i], d);
if (ret < 0) {
printk(KERN_ERR "pm_qos_param: %s setup failed
",
       pm_qos_array[i]->name);
return ret;
}
}

系統(tǒng)支持的QOS類型：

enum {
PM_QOS_RESERVED = 0,
PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY,
PM_QOS_NETWORK_LATENCY,
PM_QOS_NETWORK_THROUGHPUT,
PM_QOS_MEMORY_BANDWIDTH,

/* insert new class ID */
PM_QOS_NUM_CLASSES,
};

debugfs_create_file（）會創(chuàng)建sysfs供用戶空間調(diào)用。

4. DMA舉例

例如啟動攝像頭的時候，我們系統(tǒng)即便在省電的情況下，也需要cpu_dma允許的延遲時間不能超過50us，否則影響畫面質(zhì)量。

drivers/media/platform/via-camera.c中

pm_qos_add_request：在啟動camera的時候，這里請求了一個cpu_dma_latency的指標，為50us，即camera driver申請的cpu_dma允許的延遲時間不能超過50us

cpuidle初始化的時候會調(diào)用：

static inline void latency_notifier_init(struct notifier_block *n)
{
pm_qos_add_notifier(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY, n);
}

PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY變化的時候會通知cpuidle

在進行cpuidle決策的時候，例如ladder governor中，

static int ladder_select_state(struct cpuidle_driver *drv,
struct cpuidle_device *dev)
{
struct ladder_device *ldev = this_cpu_ptr(&ladder_devices);
struct ladder_device_state *last_state;
int last_residency, last_idx = ldev->last_state_idx;
int latency_req = pm_qos_request(PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY);

pm_qos_request（）函數(shù)會獲取target_value，根據(jù)這個值來決定進行什么級別的idle。

對于cpuidle idle來說，一般有C1~C3幾個等級，在C3等級的退出延遲時間是57us（不同平臺會有差別），那么這里camera driver需求的50us容忍延遲就可以讓cpuidle退到C2 idle等級（即前面章節(jié)提到的執(zhí)行方需要確保自身的行為滿足這些pm qos的需求），就不會導致上面說的DMA transfer gets corrupted的問題了。

后記

內(nèi)核版本有時候差異也挺大的，一個機制，特別是小眾的可能會有更新，我們在找資料的時候，就需要注意這點，找到合適的學習資料。不過主要的思想是不變的，變的就是結(jié)構(gòu)體定義，api函數(shù)的調(diào)用流程等。

審核編輯：湯梓紅