ckrm_E16rc1 cpu controller v5
[linux-2.6.git] / include / linux / ckrm_sched.h
1 /* include/linux/ckrm_sched.h - Supports CKRM scheduling
2  *
3  * Copyright (C) Haoqiang Zheng,  IBM Corp. 2004
4  * Copyright (C) Hubertus Franke,  IBM Corp. 2004
5  * 
6  * Latest version, more details at http://ckrm.sf.net
7  * 
8  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
9  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
10  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
11  * (at your option) any later version.
12  *
13  */
14
15 #ifndef _CKRM_SCHED_H
16 #define _CKRM_SCHED_H
17
18 #include <linux/sched.h>
19 #include <linux/ckrm_rc.h>
20 #include <linux/ckrm_classqueue.h>
21
22 #define BITMAP_SIZE ((((MAX_PRIO+1+7)/8)+sizeof(long)-1)/sizeof(long))
23
24 struct prio_array {
25         unsigned int nr_active;
26         unsigned long bitmap[BITMAP_SIZE];
27         struct list_head queue[MAX_PRIO];
28 };
29
30 #ifdef CONFIG_CKRM_CPU_SCHEDULE
31 #define rq_active(p,rq)   (get_task_lrq(p)->active)
32 #define rq_expired(p,rq)  (get_task_lrq(p)->expired)
33 int __init init_ckrm_sched_res(void);
34 #else
35 #define rq_active(p,rq)   (rq->active)
36 #define rq_expired(p,rq)  (rq->expired)
37 static inline void init_ckrm_sched_res(void) {}
38 static inline int ckrm_cpu_monitor_init(void) {return 0;}
39 #endif
40
41 #ifdef CONFIG_CKRM_CPU_SCHEDULE
42 struct ckrm_runqueue {
43         cq_node_t classqueue_linkobj;   /*links in classqueue */
44         struct ckrm_cpu_class *cpu_class;       // class it belongs to
45         struct classqueue_struct *classqueue;   // classqueue it belongs tow
46         unsigned long long uncounted_ns;
47
48         prio_array_t *active, *expired, arrays[2];
49         /*
50            set to 0 on init, become null or array switch
51            set to jiffies whenever an non-interactive job expires
52            reset to jiffies if expires
53          */
54         unsigned long expired_timestamp;
55
56         /* 
57          * highest priority of tasks in active
58          * initialized to be MAX_PRIO
59          * updated on enqueue, dequeue
60          */
61         int top_priority;
62         CVT_t local_cvt;
63
64         unsigned long lrq_load;
65         int local_weight; 
66
67
68         /*
69          * unused CPU time accumulated while thoe class 
70          * is inactive goes to savings
71          * 
72          * initialized to be 0
73          * a class can't accumulate more than SAVING_THRESHOLD of savings
74          * savings are kept in normalized form (like cvt)
75          * so when task share change the savings should be scaled accordingly
76          */
77         unsigned long long savings;
78
79         unsigned long magic;    //for debugging
80 };
81
82 typedef struct ckrm_runqueue ckrm_lrq_t;
83
84 /**
85  * ckrm_cpu_class_stat - cpu usage statistics maintained for each class
86  * 
87  */
88 struct ckrm_cpu_class_stat {
89         spinlock_t stat_lock;
90
91         unsigned long long total_ns;    /*how much nano-secs it has consumed */
92
93         struct ckrm_cpu_demand_stat local_stats[NR_CPUS];
94
95         /* 
96          * 
97          */
98         unsigned long max_demand; /* the maximun a class can consume */
99         int egrt,megrt; /*effective guarantee*/
100         int ehl,mehl; /*effective hard limit, my effective hard limit*/
101
102         /*
103          * eshare: for both default class and its children
104          * meshare: just for the default class
105          */
106         int eshare;
107         int meshare;
108 };
109
110 #define CKRM_CPU_CLASS_MAGIC 0x7af2abe3
111
112 #define USAGE_SAMPLE_FREQ HZ  //sample every 1 seconds
113 #define NS_PER_SAMPLE (USAGE_SAMPLE_FREQ*(NSEC_PER_SEC/HZ))
114 #define USAGE_WINDOW_SIZE 60  //keep the last 60 sample
115
116 struct ckrm_usage {
117         unsigned long samples[USAGE_WINDOW_SIZE]; //record usages 
118         unsigned long sample_pointer; //pointer for the sliding window
119         unsigned long long last_ns; //ns for last sample
120         unsigned long long last_sample_jiffies; //in number of jiffies
121 };
122
123 /*
124  * manages the class status
125  * there should be only one instance of this object for each class in the whole system  
126  */
127 struct ckrm_cpu_class {
128         struct ckrm_core_class *core;
129         struct ckrm_core_class *parent;
130         struct ckrm_shares shares;
131         spinlock_t cnt_lock;    // always grab parent's lock first and then child's
132         struct ckrm_cpu_class_stat stat;
133         struct list_head links; // for linking up in cpu classes
134         ckrm_lrq_t local_queues[NR_CPUS];       // runqueues 
135         struct ckrm_usage usage;
136         unsigned long magic;    //for debugging
137 };
138
139 #define cpu_class_weight(cls) (cls->stat.meshare)
140 #define local_class_weight(lrq) (lrq->local_weight)
141
142 static inline int valid_cpu_class(struct ckrm_cpu_class * cls)
143 {
144         return (cls && cls->magic == CKRM_CPU_CLASS_MAGIC);
145 }
146
147 struct classqueue_struct *get_cpu_classqueue(int cpu);
148 struct ckrm_cpu_class * get_default_cpu_class(void);
149
150
151 static inline void ckrm_usage_init(struct ckrm_usage* usage)
152 {
153         int i;
154
155         for (i=0; i < USAGE_WINDOW_SIZE; i++)
156                 usage->samples[i] = 0;
157         usage->sample_pointer = 0;
158         usage->last_ns = 0;
159         usage->last_sample_jiffies = 0;
160 }
161
162 /*
163  * this function can be called at any frequency
164  * it's self-contained
165  */
166 static inline void ckrm_sample_usage(struct ckrm_cpu_class* clsptr)
167 {
168         struct ckrm_usage* usage = &clsptr->usage;
169         unsigned long long cur_sample;
170         int duration = jiffies - usage->last_sample_jiffies;
171
172 //      printk("\tckrm_sample_usage %ld %p: %lld\n",jiffies, clsptr,cur_sample);
173
174         if (duration < USAGE_SAMPLE_FREQ)
175                 return;
176
177         cur_sample = clsptr->stat.total_ns - usage->last_ns; 
178         //scale it based on the sample duration
179         cur_sample *= ((duration << 10)/USAGE_SAMPLE_FREQ);
180         cur_sample >>= 10;
181
182         usage->samples[usage->sample_pointer++] = cur_sample;
183         usage->last_sample_jiffies = jiffies;
184         usage->last_ns = clsptr->stat.total_ns;
185         if (usage->sample_pointer >= USAGE_WINDOW_SIZE)
186                 usage->sample_pointer = 0;
187 }
188
189 //duration is specified in number of jiffies
190 //return the usage in percentage
191 static inline int get_ckrm_usage(struct ckrm_cpu_class* clsptr, int duration)
192 {
193         int nr_samples = duration/USAGE_SAMPLE_FREQ?:1;
194         struct ckrm_usage* usage = &clsptr->usage;
195         unsigned long long total = 0;
196         int i, idx;
197
198         if (nr_samples > USAGE_WINDOW_SIZE)
199                 nr_samples = USAGE_WINDOW_SIZE;
200
201         idx = usage->sample_pointer;    
202         for (i = 0; i< nr_samples; i++) {
203                 if (! idx)
204                         idx = USAGE_WINDOW_SIZE;
205                 idx --;
206                 total += usage->samples[idx];
207         }
208         total *= 100;
209         do_div(total,nr_samples);
210         do_div(total,NS_PER_SAMPLE);
211         // printk("percent %lld\n",total);
212         return total;
213 }
214
215
216 #define lrq_nr_running(lrq) \
217              (lrq->active->nr_active + lrq->expired->nr_active)
218
219 static inline ckrm_lrq_t *
220 get_ckrm_lrq(struct ckrm_cpu_class*cls, int cpu)
221 {
222         return &(cls->local_queues[cpu]);
223 }
224
225 static inline ckrm_lrq_t *get_task_lrq(struct task_struct *p)
226 {
227         return &(p->cpu_class->local_queues[task_cpu(p)]);
228 }
229
230 #define task_list_entry(list)  list_entry(list,struct task_struct,run_list)
231 #define class_list_entry(list) list_entry(list,struct ckrm_runqueue,classqueue_linkobj)
232
233 /* some additional interfaces exported from sched.c */
234 struct runqueue;
235 extern rwlock_t class_list_lock;
236 extern struct list_head active_cpu_classes;
237 unsigned int task_timeslice(task_t *p);
238 void _ckrm_cpu_change_class(task_t *task, struct ckrm_cpu_class *newcls);
239
240 void init_cpu_classes(void);
241 void init_cpu_class(struct ckrm_cpu_class *cls,ckrm_shares_t* shares);
242 void ckrm_cpu_change_class(void *task, void *old, void *new);
243
244
245 #define CPU_DEMAND_ENQUEUE 0
246 #define CPU_DEMAND_DEQUEUE 1
247 #define CPU_DEMAND_DESCHEDULE 2
248 #define CPU_DEMAND_INIT 3
249
250 /*functions exported by ckrm_cpu_monitor.c*/
251 void ckrm_cpu_monitor(void);
252 int ckrm_cpu_monitor_init(void);
253 void ckrm_cpu_stat_init(struct ckrm_cpu_class_stat *stat);
254 void cpu_demand_event(struct ckrm_cpu_demand_stat* local_stat, int event, unsigned long long len);
255 void adjust_local_weight(void);
256
257 #define get_task_lrq_stat(p) (&(p)->cpu_class->stat.local_stats[task_cpu(p)])
258 #define get_cls_local_stat(cls,cpu) (&(cls)->stat.local_stats[cpu])
259 #define get_rq_local_stat(lrq,cpu) (get_cls_local_stat((lrq)->cpu_class,cpu))
260
261 #define CLASS_QUANTIZER 22      //shift from ns to increase class bonus
262 #define PRIORITY_QUANTIZER 0    //controls how much a high prio task can borrow
263 #define CKRM_SHARE_ACCURACY 10
264 #define NSEC_PER_MS 1000000
265 #define NSEC_PER_JIFFIES (NSEC_PER_SEC/HZ)
266
267
268 #define MAX_SAVINGS_ABSOLUTE (10LLU*NSEC_PER_SEC)  // 10 seconds
269
270 #define CVT_UPDATE_TICK     ((HZ/2)?:1)
271
272 // ABSOLUTE_CKRM_TUNING determines whether classes can make up
273 // lost time in absolute time or in relative values
274
275 #define ABSOLUTE_CKRM_TUNING         // preferred due to more predictable behavior
276
277 #ifdef ABSOLUTE_CKRM_TUNING
278
279 #define MAX_SAVINGS        MAX_SAVINGS_ABSOLUTE
280 //an absolute bonus of 200ms for classes when reactivated
281 #define INTERACTIVE_BONUS(lrq) ((200*NSEC_PER_MS)/local_class_weight(lrq))
282 #define SAVINGS_LEAK_SPEED (CVT_UPDATE_TICK/10*NSEC_PER_JIFFIES)
283
284 #define scale_cvt(val,lrq)   ((val)*local_class_weight(lrq))
285 #define unscale_cvt(val,lrq) (do_div(val,local_class_weight(lrq)))
286
287 #else
288
289 #define MAX_SAVINGS (MAX_SAVINGS_ABSOLUTE >> CKRM_SHARE_ACCURACY) 
290 /*
291  * to improve system responsiveness
292  * an inactive class is put a little bit ahead of the current class when it wakes up
293  * the amount is set in normalized termis to simplify the calculation
294  * for class with 100% share, it can be 2s ahead
295  * while for class with 10% share, it can be 200ms ahead
296  */
297 #define INTERACTIVE_BONUS(lrq) (2*NSEC_PER_MS)  
298
299 /*
300  * normalized savings can't be more than MAX_NORMALIZED_SAVINGS
301  * based on the current configuration
302  * this means that a class with share 100% will accumulate 10s at most
303  * while a class with 1% of the share can only accumulate 100ms
304  */
305
306 //a class with share 100% can get 100ms every 500ms
307 //while a class with share 10% can only get 10ms every 500ms
308 #define SAVINGS_LEAK_SPEED ((CVT_UPDATE_TICK/5*NSEC_PER_JIFFIES) >> CKRM_SHARE_ACCURACY)
309
310 #define scale_cvt(val,lrq)   (val)
311 #define unscale_cvt(val,lrq) (val)
312
313 #endif
314
315
316 /**
317  * get_effective_prio: return the effective priority of a class local queue
318  *
319  * class priority = progress * a + urgency * b
320  * progress = queue cvt
321  * urgency = queue top priority
322  * a and b are scaling factors  
323  * currently, prio increases by 1 if either: top_priority increase by one
324  *                                   or, local_cvt increases by 4ms
325  */
326 static inline int get_effective_prio(ckrm_lrq_t * lrq)
327 {
328         int prio;
329
330         prio = lrq->local_cvt >> CLASS_QUANTIZER;  // cumulative usage
331         prio += lrq->top_priority >> PRIORITY_QUANTIZER; // queue urgency
332
333         return prio;
334 }
335
336 CVT_t get_local_cur_cvt(int cpu);
337
338 /** 
339  * update_class_priority:
340  * 
341  * called whenever cvt or top_priority changes
342  *
343  * internal: (calling structure)
344  * update_class_priority
345  *   -- set_top_priority
346  *      -- class_enqueue_task
347  *      -- class_dequeue_task
348  *      -- rq_get_next_task (queue switch)
349  *   -- update_local_cvt
350  *      -- schedule
351  */
352 static inline void update_class_priority(ckrm_lrq_t *local_rq)
353 {
354         int effective_prio = get_effective_prio(local_rq);
355         classqueue_update_prio(local_rq->classqueue,
356                                &local_rq->classqueue_linkobj,
357                                effective_prio);
358 }
359
360 /*
361  *  set the new top priority and reposition the queue
362  *  called when: task enqueue/dequeue and queue switch
363  */
364 static inline void set_top_priority(ckrm_lrq_t *lrq,
365                                     int new_priority)
366 {
367         lrq->top_priority = new_priority;
368         update_class_priority(lrq);
369 }
370
371 /*
372  * task_load: how much load this task counts
373  */
374 static inline unsigned long task_load(struct task_struct* p)
375 {
376         return (task_timeslice(p) * p->demand_stat.cpu_demand);
377 }
378
379 /*
380  * runqueue load is the local_weight of all the classes on this cpu
381  * must be called with class_list_lock held
382  */
383 static inline unsigned long ckrm_cpu_load(int cpu)
384 {
385         struct ckrm_cpu_class *clsptr;
386         ckrm_lrq_t* lrq;
387         struct ckrm_cpu_demand_stat* l_stat;
388         int total_load = 0;
389         int load;
390
391         list_for_each_entry(clsptr,&active_cpu_classes,links) {
392                 lrq =  get_ckrm_lrq(clsptr,cpu);
393                 l_stat = get_cls_local_stat(clsptr,cpu);
394                 load = lrq->local_weight;
395                 if (l_stat->cpu_demand < load)
396                         load = l_stat->cpu_demand;
397                 total_load += load;
398         }       
399         return total_load;
400 }
401
402 static inline void class_enqueue_task(struct task_struct *p,
403                                       prio_array_t * array)
404 {
405         ckrm_lrq_t *lrq;
406         int effective_prio;
407
408         lrq = get_task_lrq(p);
409
410         cpu_demand_event(&p->demand_stat,CPU_DEMAND_ENQUEUE,0);
411         lrq->lrq_load += task_load(p);
412
413         if ((p->prio < lrq->top_priority) && (array == lrq->active))
414                 set_top_priority(lrq, p->prio); 
415
416         if (! cls_in_classqueue(&lrq->classqueue_linkobj)) {
417                 cpu_demand_event(get_task_lrq_stat(p),CPU_DEMAND_ENQUEUE,0);
418                 effective_prio = get_effective_prio(lrq);
419                 classqueue_enqueue(lrq->classqueue, &lrq->classqueue_linkobj, effective_prio);
420         } 
421
422 }
423
424 static inline void class_dequeue_task(struct task_struct *p,
425                                       prio_array_t * array)
426 {
427         ckrm_lrq_t *lrq = get_task_lrq(p);
428         unsigned long load = task_load(p);
429
430         BUG_ON(lrq->lrq_load < load);
431         lrq->lrq_load -= load;
432
433         cpu_demand_event(&p->demand_stat,CPU_DEMAND_DEQUEUE,0);
434
435         if ((array == lrq->active) && (p->prio == lrq->top_priority)
436             && list_empty(&(array->queue[p->prio])))
437                 set_top_priority(lrq,
438                                  find_next_bit(array->bitmap, MAX_PRIO,
439                                                p->prio));
440 }
441
442 /*
443  *  called after a task is switched out. Update the local cvt accounting 
444  *  we need to stick with long instead of long long due to nonexistent 64-bit division
445  */
446 static inline void update_local_cvt(struct task_struct *p, unsigned long nsec)
447 {
448         ckrm_lrq_t * lrq = get_task_lrq(p);
449
450         unsigned long cvt_inc = nsec / local_class_weight(lrq);
451
452         lrq->local_cvt += cvt_inc;
453         lrq->uncounted_ns += nsec;
454
455         update_class_priority(lrq);
456 }
457
458 static inline int class_preempts_curr(struct task_struct * p, struct task_struct* curr)
459 {
460         struct cq_node_struct* node1 = &(get_task_lrq(p)->classqueue_linkobj);
461         struct cq_node_struct* node2 = &(get_task_lrq(curr)->classqueue_linkobj);
462
463         return (class_compare_prio(node1,node2) < 0);
464 }
465
466 /*
467  * return a random value with range [0, (val-1)]
468  */
469 static inline int get_ckrm_rand(unsigned long val)
470 {
471         int rand;
472         static int last_rand[NR_CPUS];
473         int cpu = smp_processor_id();
474
475         rand = last_rand[cpu];
476         rand ++;
477         if (rand >= val)
478                 rand = 0; 
479         
480         last_rand[cpu] = rand;
481         return rand;
482 }
483
484 void update_class_cputime(int this_cpu);
485
486 /**********************************************/
487 /*          PID_LOAD_BALANCING                */
488 /**********************************************/
489 struct ckrm_load_struct {
490         unsigned long load_p;   /*propotional*/
491         unsigned long load_i;   /*integral   */
492         long load_d;   /*derivative */
493 };
494
495 typedef struct ckrm_load_struct ckrm_load_t;
496
497 static inline void ckrm_load_init(ckrm_load_t* ckrm_load) {
498         ckrm_load->load_p = 0;
499         ckrm_load->load_i = 0;
500         ckrm_load->load_d = 0;
501 }
502
503 void ckrm_load_sample(ckrm_load_t* ckrm_load,int cpu);
504 long pid_get_pressure(ckrm_load_t* ckrm_load, int local_group);
505 #define rq_ckrm_load(rq) (&((rq)->ckrm_load))
506
507 static inline void ckrm_sched_tick(int j,int this_cpu,struct ckrm_load_struct* ckrm_load)
508 {
509         read_lock(&class_list_lock);
510
511 #ifdef CONFIG_SMP
512         ckrm_load_sample(ckrm_load,this_cpu);
513 #endif
514
515         if (!(j % CVT_UPDATE_TICK)) {
516                 classqueue_update_base(get_cpu_classqueue(this_cpu));
517                 update_class_cputime(this_cpu);
518         }
519
520         read_unlock(&class_list_lock);
521 }
522
523 #endif /*CONFIG_CKRM_CPU_SCHEDULE */
524
525 #endif