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   2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
   3
   4 Power Management
   5 ================
   6
   7 The DPDK Power Management feature allows users space applications to save power
   8 by dynamically adjusting CPU frequency or entering into different C-States.
   9
  10 *   Adjusting the CPU frequency dynamically according to the utilization of RX queue.
  11
  12 *   Entering into different deeper C-States according to the adaptive algorithms to speculate
  13     brief periods of time suspending the application if no packets are received.
  14
  15 The interfaces for adjusting the operating CPU frequency are in the power management library.
  16 C-State control is implemented in applications according to the different use cases.
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  18 CPU Frequency Scaling
  19 ---------------------
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  21 The Linux kernel provides a cpufreq module for CPU frequency scaling for each lcore.
  22 For example, for cpuX, /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/ has the following sys files for frequency scaling:
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  24 *   affected_cpus
  25
  26 *   bios_limit
  27
  28 *   cpuinfo_cur_freq
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  30 *   cpuinfo_max_freq
  31
  32 *   cpuinfo_min_freq
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  34 *   cpuinfo_transition_latency
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  36 *   related_cpus
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  38 *   scaling_available_frequencies
  39
  40 *   scaling_available_governors
  41
  42 *   scaling_cur_freq
  43
  44 *   scaling_driver
  45
  46 *   scaling_governor
  47
  48 *   scaling_max_freq
  49
  50 *   scaling_min_freq
  51
  52 *   scaling_setspeed
  53
  54 In the DPDK, scaling_governor is configured in user space.
  55 Then, a user space application can prompt the kernel by writing scaling_setspeed to adjust the CPU frequency
  56 according to the strategies defined by the user space application.
  57
  58 Core-load Throttling through C-States
  59 -------------------------------------
  60
  61 Core state can be altered by speculative sleeps whenever the specified lcore has nothing to do.
  62 In the DPDK, if no packet is received after polling,
  63 speculative sleeps can be triggered according the strategies defined by the user space application.
  64
  65 Per-core Turbo Boost
  66 --------------------
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  68 Individual cores can be allowed to enter a Turbo Boost state on a per-core
  69 basis. This is achieved by enabling Turbo Boost Technology in the BIOS, then
  70 looping through the relevant cores and enabling/disabling Turbo Boost on each
  71 core.
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  73 Use of Power Library in a Hyper-Threaded Environment
  74 ----------------------------------------------------
  75
  76 In the case where the power library is in use on a system with Hyper-Threading enabled,
  77 the frequency on the physical core is set to the highest frequency of the Hyper-Thread siblings.
  78 So even though an application may request a scale down, the core frequency will
  79 remain at the highest frequency until all Hyper-Threads on that core request a scale down.
  80
  81 API Overview of the Power Library
  82 ---------------------------------
  83
  84 The main methods exported by power library are for CPU frequency scaling and include the following:
  85
  86 *   **Freq up**: Prompt the kernel to scale up the frequency of the specific lcore.
  87
  88 *   **Freq down**: Prompt the kernel to scale down the frequency of the specific lcore.
  89
  90 *   **Freq max**: Prompt the kernel to scale up the frequency of the specific lcore to the maximum.
  91
  92 *   **Freq min**: Prompt the kernel to scale down the frequency of the specific lcore to the minimum.
  93
  94 *   **Get available freqs**: Read the available frequencies of the specific lcore from the sys file.
  95
  96 *   **Freq get**: Get the current frequency of the specific lcore.
  97
  98 *   **Freq set**: Prompt the kernel to set the frequency for the specific lcore.
  99
 100 *   **Enable turbo**: Prompt the kernel to enable Turbo Boost for the specific lcore.
 101
 102 *   **Disable turbo**: Prompt the kernel to disable Turbo Boost for the specific lcore.
 103
 104 User Cases
 105 ----------
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 107 The power management mechanism is used to save power when performing L3 forwarding.
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 110 Empty Poll API
 111 --------------
 112
 113 Abstract
 114 ~~~~~~~~
 115
 116 For packet processing workloads such as DPDK polling is continuous.
 117 This means CPU cores always show 100% busy independent of how much work
 118 those cores are doing. It is critical to accurately determine how busy
 119 a core is hugely important for the following reasons:
 120
 121         * No indication of overload conditions
 122         * User does not know how much real load is on a system, resulting
 123           in wasted energy as no power management is utilized
 124
 125 Compared to the original l3fwd-power design, instead of going to sleep
 126 after detecting an empty poll, the new mechanism just lowers the core frequency.
 127 As a result, the application does not stop polling the device, which leads
 128 to improved handling of bursts of traffic.
 129
 130 When the system become busy, the empty poll mechanism can also increase the core
 131 frequency (including turbo) to do best effort for intensive traffic. This gives
 132 us more flexible and balanced traffic awareness over the standard l3fwd-power
 133 application.
 134
 135
 136 Proposed Solution
 137 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
 138 The proposed solution focuses on how many times empty polls are executed.
 139 The less the number of empty polls, means current core is busy with processing
 140 workload, therefore, the higher frequency is needed. The high empty poll number
 141 indicates the current core not doing any real work therefore, we can lower the
 142 frequency to safe power.
 143
 144 In the current implementation, each core has 1 empty-poll counter which assume
 145 1 core is dedicated to 1 queue. This will need to be expanded in the future to
 146 support multiple queues per core.
 147
 148 Power state definition:
 149 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 150
 151 * LOW:  Not currently used, reserved for future use.
 152
 153 * MED:  the frequency is used to process modest traffic workload.
 154
 155 * HIGH: the frequency is used to process busy traffic workload.
 156
 157 There are two phases to establish the power management system:
 158 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 159 * Training phase. This phase is used to measure the optimal frequency
 160   change thresholds for a given system. The thresholds will differ from
 161   system to system due to differences in processor micro-architecture,
 162   cache and device configurations.
 163   In this phase, the user must ensure that no traffic can enter the
 164   system so that counts can be measured for empty polls at low, medium
 165   and high frequencies. Each frequency is measured for two seconds.
 166   Once the training phase is complete, the threshold numbers are
 167   displayed, and normal mode resumes, and traffic can be allowed into
 168   the system. These threshold number can be used on the command line
 169   when starting the application in normal mode to avoid re-training
 170   every time.
 171
 172 * Normal phase. Every 10ms the run-time counters are compared
 173   to the supplied threshold values, and the decision will be made
 174   whether to move to a different power state (by adjusting the
 175   frequency).
 176
 177 API Overview for Empty Poll Power Management
 178 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 179 * **State Init**: initialize the power management system.
 180
 181 * **State Free**: free the resource hold by power management system.
 182
 183 * **Update Empty Poll Counter**: update the empty poll counter.
 184
 185 * **Update Valid Poll Counter**: update the valid poll counter.
 186
 187 * **Set the Fequence Index**: update the power state/frequency mapping.
 188
 189 * **Detect empty poll state change**: empty poll state change detection algorithm then take action.
 190
 191 User Cases
 192 ----------
 193 The mechanism can applied to any device which is based on polling. e.g. NIC, FPGA.
 194
 195 References
 196 ----------
 197
 198 *   l3fwd-power: The sample application in DPDK that performs L3 forwarding with power management.
 199
 200 *   The "L3 Forwarding with Power Management Sample Application" chapter in the *DPDK Sample Application's User Guide*.