Linux PM QoS framework(2)_PM QoS class

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本文深入探讨Linux PM QoS框架，介绍其核心概念、API接口及其实现逻辑，帮助读者理解如何管理和调整系统性能以满足不同场景的需求。

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本文转自：http://www.wowotech.net/pm_subsystem/pm_qos_class.html

Linux PM QoS framework(2)_PM QoS class

作者：wowo 发布于：2015-2-10 23:09 分类：电源管理子系统

1. 前言

回顾上一篇文章（Linux PM QoS framework(1)_概述和软件架构），PM QoS framework抽象出4个系统级别的QoS constraint（统称为PM QoS class），分别是cpu&dma latency、network latency、network throughput和memory bandwidth。并提供一系列的接口，动态的搜集、整理系统对这些constraint的需求情况。

2. API汇整

PM QoS class framework提供的API有2类：一类是以函数调用的形式，为kernel space的driver、service等提供的；另一类是以misc设备的形式，为用户空间进程提供的。

2.1 向kernel其它driver提供的，用于提出PM QoS需求的API

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

int pm_qos_request_active(struct pm_qos_request *req);

1）pm_qos_add_request

该接口用于向PM QoS framework添加一个QoS请求，pm_qos_class为QoS请求的类型（kernel称作pm qos class），value为期望的QoS值，不同的class有不同的含义。pm qos class的定义如下：

 
/* include/linux/pm_qos.h */ 
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, 
}; 
 

PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY，CPU和DMA的延迟（单位为us），它的实际意义是，当产生一个事件之后（如一个中断），CPU或DMA的响应延迟。例如有些CPU的串口控制器，只有几个byte的FIFO，当接收数据时，CPU或DMA必须在FIFO填满前，将数据读走，否则就可能丢失数据或者降低数据的传输速率。

后面几个class，不再详细说明。

以PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY为例，pm_qos_add_request的逻辑可以总结为：我要求CPU&DMA的latency不大于‘value’个us。

另外，为了便于对已添加请求的维护（修改、移除等），framework会将该请求保存在一个句柄中，就是第一个参数--struct pm_qos_request指针。调用者不需要知道该结构的具体内容，只要定义一个变量，并把指针传给pm_qos_add_request接口，以后使用该指针进行修改、移除等操作。

2）pm_qos_update_request/pm_qos_update_request_timeout

如果应用场景改变（如串口波特率变大，相应的响应延迟就要变小），可以通过该接口更新QoS请求。req为句柄指针，new_value为新的value。

pm_qos_update_request_timeout多了一个timeout参数，用于需要在一段时间（timeout时间）内修改QoS value的场景。framework会在timeout后，自动将QoS value修改为一个默认值（一般为无效值，代表不再对该QoS有要求）。

3）pm_qos_remove_request

如果对该pm qos class不再有要求，则可以调用该接口将请求移除。

4）pm_qos_request_active

该接口可以获取某一个QoS请求的active状态。

2.2 向kernel PM有关的service提供的，用于获取、跟踪指定PM QoS需求的API

int pm_qos_request(int pm_qos_class);
int pm_qos_add_notifier(int pm_qos_class, struct notifier_block *notifier);
int pm_qos_remove_notifier(int pm_qos_class, struct notifier_block *notifier);

每当有新的QoS请求时。framework都会根据该QoS class的含义，计算出满足所有请求的一个极值（如最大值、最小值等等）。该值可以通过pm_qos_request接口获得。例如cpuidle framework在选择C state时，会通过该接口获得系统对CPU&DMA latency的需求，并保证从C state返回时的延迟小于该value。

另外，如果某个实体在意某一个class的QoS value变化，可以通过pm_qos_add_notifier接口添加一个notifier，这样当value变化时，framework便会通过notifier的回调函数，通知该实体。

同理，pm_qos_remove_notifier用于删除notifier。

2.3 向per-device PM QoS framework提供，low level的PM QoS操作API

int pm_qos_update_target(struct pm_qos_constraints *c, struct plist_node *node,
                         enum pm_qos_req_action action, int value);
bool pm_qos_update_flags(struct pm_qos_flags *pqf,
                         struct pm_qos_flags_request *req,
                         enum pm_qos_req_action action, s32 val);

s32 pm_qos_read_value(struct pm_qos_constraints *c);

QoS class和per-device PM QoS都是基于底层的pm qos constraint封装而来的。对QoS class的使用者而言，可以不用关心这些底层细节。对per-device PM QoS framework而言，则需要利用它们实现自身的功能。

这些接口就是提供给per-device PM QoS framework的low level接口，后面再详细介绍。

2.4 向用户空间process提供的，用于提出QoS需求的API

根据不同的PM QoS class，包括(cpu&dma latency、network latency等等)：

/dev/cpu_dma_latency
/dev/network_latency
/dev/network_throughput
/dev/memory_bandwidth

打开文件，将会使用默认值向PM QoS framework添加一个QoS请求；关闭文件，会移除相应的请求；写入value，更改请求的值；读取文件，将会获取QoS的极值。

具体和2.1中的各个接口类似，不再详细说明了。

3. 实现思路和内部逻辑

3.1 主要数据结构

1）struct pm_qos_request，pm qos request句柄，用于request的add、update、remove等操作

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

node，一个struct plist_node类型的节点，在保存request的value值（node.prio）的同时，可以将request按照一定的顺序，保存在一个全局的链表中；

pm_qos_class，该request对应的qos class，可以为PM_QOS_CPU_DMA_LATENCY、PM_QOS_NETWORK_LATENCY、PM_QOS_NETWORK_THROUGHPUT、PM_QOS_MEMORY_BANDWIDTH中的一种；

一个delay work，用于实现pm_qos_update_request_timeout接口。

struct plist_node是一个按照优先级（prio）降序排列的双向链表（Descending-priority-sorted double-linked），除了常规链表所具备的head和tail之外，有一个prio字段，刚好可以应用在PM QoS class的场景中。

2）struct pm_qos_constraints，pm qos的内部抽象，用于抽象某一特定的PM QoS class

 
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; 
}; 
 

list，链表头，所有该class的request，都会挂到该list上；

target_value，该constraint的目标值，即可以满足所有该class的request那个value。通常情况下，根据request的类型（enum pm_qos_type），可以是所有request中的最大值，所有request中的最小值，或者所有request的和；

default_value，该constraint的默认值，通常为0，表示没有限制（或没有要求）；

no_constraint_value，当该class的qos不存在请求时，pm_qos_get_value返回的值，通常为默认值，表示没有限制（或没有要求）；

type，该constraint的类型，具体请参考下面的描述；

notifiers，用于constraint value改变时通知其它driver。

enum pm_qos_type包括PM_QOS_MAX、PM_QOS_MIN和PM_QOS_SUM。PM_QOS_MAX表示在所有的request中取最大值，即可满足所有的request，如network_throughput；PM_QOS_MIN表示在所有的request中取最小值，即可满足所有的request，如cpu_dma_latency；PM_QOS_SUM表示在所有的request中取和，才能满足所有的request，如memory_bandwidth。

当调用pm_qos_get_value接口时，framework会更具qos type，从list head中，取最小值、最大值或者所有值的和。

3.2 实现逻辑

QoS class framework为每个class定义了一个全局的struct pm_qos_constraints变量，用于保存所有该class的request。同时为每个class定义一个misc device变量，用于向用户空间提供接口。最终，将这些信息组织在一个内部的数据结构中（struct pm_qos_object），如下（具体内容可参考kernel/power/qos.c，这里不再详细介绍）：

 
struct pm_qos_object { 
        struct pm_qos_constraints *constraints; 
        struct miscdevice pm_qos_power_miscdev; 
        char *name; 
}; 
   
... 
   
static struct pm_qos_object *pm_qos_array[] = { 
        &null_pm_qos, 
        &cpu_dma_pm_qos, 
        &network_lat_pm_qos, 
        &network_throughput_pm_qos, 
        &memory_bandwidth_pm_qos, 
}; 
 

1）pm_qos_add_request

request add接口会以qos class为index，从qos array中取出constraint指针（pm_qos_array[pm_qos_class]->constraints），并指针和request的value为参数，调用pm_qos_update_target接口。

pm_qos_update_target会将该request添加到constraint的list中，并根据qos type，计算处该class qos的target value。

pm_qos_update_request/pm_qos_update_request_timeout的逻辑类似，不再详细描述。

2）pm_qos_request

直接从该class对应的constraint变量中，获取target value（已经在新的request被add之后更新）。

3）misc设备注册

当kernel会在QoS class framework的初始化接口（pm_qos_power_init）中，调用misc_register，将各个class的miscdevice变量，注册到kernel中。misc设备提供了open、release、read、write等接口（pm_qos_power_fops，具体可参考源文件），用于qos的request、update和remove。