- 前言
在計算機系統中，cpu的主要任務是執行程序，其核心步驟包括取指、譯碼和執行。然而，若無程序需要執行，cpu如何處理這一情況呢？有人可能會認為直接停止運行即可，但實際上，決定何時停止以及如何停止需要在復雜的軟硬件環境中仔細考慮。
讓我們轉向Linux內核，Linux系統中的CPU被兩種程序所占用：一類是進程（或線程），即進程上下文；另一類是中斷和異常的處理程序，即中斷上下文。
進程負責處理事務，例如讀取用戶輸入并在屏幕上顯示。當事務處理完畢，如用戶不再輸入且無新內容需顯示時，進程可以釋放CPU，但隨時準備重新占用（如用戶突然按鍵）。同樣，若系統無中斷或異常事件，CPU不會在中斷上下文中花費時間。
在Linux內核中，CPU這種無所事事的狀態被稱為idle狀態，而cpuidle框架正是管理這種狀態的工具。
注：cpuidle框架系列文章將以ARM64為例平臺。由于ARM64發布時間較短，早期版本的內核中沒有相關代碼，因此我們選擇了最新的3.18-rc4版本的內核。
- 功能概述
曾經，Linux內核的cpu idle框架非常簡單，簡單到driver工程師只需在“includeasm-armarch-xxxsystem.h”中定義一個名為arch_idle的內聯函數，并在該函數中調用內核提供的cpu_do_idle接口即可，其余的實現內核會幫我們完成，如下：
static inline void arch_idle(void) { cpu_do_idle(); }
盡管簡單，但這包含了idle處理的兩個關鍵點：
1）idle進程
idle進程的存在是為了解決“何時idle”的問題。
我們知道，Linux系統運行的基礎是進程調度。當所有進程都不再運行時，即為CPU idle狀態。內核通過一個簡單的方法來判斷這種狀態：在init進程（系統的第一個進程）完成初始化任務后，將其轉變為idle進程。由于idle進程的優先級最低，當其被調度時，說明系統中其他進程已停止運行，即CPU已idle。最終，idle進程會調用idle指令（如WFI），使CPU進入idle狀態。
“ARM WFI和WFE指令”中提到，WFI Wakeup events會將CPU從WFI狀態喚醒，這些事件通常是一些中斷事件。因此，CPU喚醒后會執行中斷處理程序，處理程序中會喚醒某些進程。當處理程序返回時，進行調度，如果沒有其他進程需要執行，調度器會恢復idle進程的運行，當然，idle進程不會做任何事情，繼續進入idle狀態，等待下一次喚醒。
2）WFI
WFI用于解決“如何idle”的問題。
通常情況下，ARM CPU在idle時可以使用WFI指令，將CPU置于等待中斷狀態。在這種狀態下，至少會關閉ARM核的時鐘，以節省功耗（具體實現取決于ARM核的設計，可參考“ARM WFI和WFE指令”）。
也許您會覺得，上述過程已經足夠好，為什么還要開發cpuidle框架？我的理解是：
- 軟件架構
在Linux內核中，cpuidle框架位于“drivers/cpuidle”文件夾中，包含cpuidle核心、cpuidle調控器和cpuidle驅動三個模塊，再結合位于內核調度中的cpuidle入口，共同完成CPU的idle管理。軟件架構如下圖：
1）內核調度模塊
位于kernelschedidle.c中，負責實現idle線程的通用入口（cpuidle入口）邏輯，包括idle模式的選擇和idle的進入等。
2）cpuidle核心
cpuidle核心負責實現cpuidle框架的整體結構，主要功能包括：
cpuidle核心的代碼主要包括：cpuidle.c、driver.c、governor.c、sysfs.c。
3）cpuidle驅動
不同的架構和CPU核會有不同的cpuidle驅動，平臺驅動開發者可以在cpuidle核心提供的框架下開發自己的cpuidle驅動。代碼主要包括：cpuidle-xxx.c。
4）cpuidle調控器
Linux內核的框架有兩種比較固定的抽象模式：
模式2的解釋可能有些抽象，但在cpuidle的場景中容易理解：
前面提到，許多CPU提供了多種idle級別（即所謂的“方案”），這些idle級別的主要區別在于“idle時的功耗”和“退出時的延遲”。cpuidle驅動（機制）負責定義這些idle狀態（每個狀態的功耗和延遲分別是多少），并實現進入和退出的相關操作。最終，cpuidle驅動會將這些信息傳遞給調控器，由調控器根據具體的應用場景決定選擇哪種idle狀態（策略）。
內核中的cpuidle調控器都位于governors/目錄下。
- 軟件流程
在閱讀本章之前，請先閱讀以下三篇文章：
Linux cpuidle framework(2)_cpuidle核心
Linux cpuidle framework(3)_ARM64通用CPU idle驅動
Linux cpuidle framework(4)_menu調控器
前面提到過，內核會在系統啟動完成后，在init進程（或線程）中處理cpuidle相關事務。大致過程如下（內核啟動相關的分析將在其他文章中詳細介紹）：
cpu_startup_entry流程：
具體代碼比較簡單，不再分析，但有一點需要特別說明：
使用cpuidle框架進入idle狀態時，本地irq處于關閉狀態，因此從idle返回時，只能繼續執行，直到irq被打開，才能執行相應的中斷處理程序，這與傳統的cpuidle不同。同時，這也間接驗證了“Linux cpuidle framework(4)_menu調控器”中提到的，為什么menu調控器在reflect接口中只是簡單地設置一個標志。因為reflect是在關閉中斷時被調用的，需要盡快返回，以便處理中斷事件。
