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[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward_power_man.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 L3 Forwarding with Power Management Sample Application
5 ======================================================
6
7 Introduction
8 ------------
9
10 The L3 Forwarding with Power Management application is an example of power-aware packet processing using the DPDK.
11 The application is based on existing L3 Forwarding sample application,
12 with the power management algorithms to control the P-states and
13 C-states of the Intel processor via a power management library.
14
15 Overview
16 --------
17
18 The application demonstrates the use of the Power libraries in the DPDK to implement packet forwarding.
19 The initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l3_forward`.
20 The main difference from the L3 Forwarding sample application is that this application introduces power-aware optimization algorithms
21 by leveraging the Power library to control P-state and C-state of processor based on packet load.
22
23 The DPDK includes poll-mode drivers to configure Intel NIC devices and their receive (Rx) and transmit (Tx) queues.
24 The design principle of this PMD is to access the Rx and Tx descriptors directly without any interrupts to quickly receive,
25 process and deliver packets in the user space.
26
27 In general, the DPDK executes an endless packet processing loop on dedicated IA cores that include the following steps:
28
29 *   Retrieve input packets through the PMD to poll Rx queue
30
31 *   Process each received packet or provide received packets to other processing cores through software queues
32
33 *   Send pending output packets to Tx queue through the PMD
34
35 In this way, the PMD achieves better performance than a traditional interrupt-mode driver,
36 at the cost of keeping cores active and running at the highest frequency,
37 hence consuming the maximum power all the time.
38 However, during the period of processing light network traffic,
39 which happens regularly in communication infrastructure systems due to well-known "tidal effect",
40 the PMD is still busy waiting for network packets, which wastes a lot of power.
41
42 Processor performance states (P-states) are the capability of an Intel processor
43 to switch between different supported operating frequencies and voltages.
44 If configured correctly, according to system workload, this feature provides power savings.
45 CPUFreq is the infrastructure provided by the Linux* kernel to control the processor performance state capability.
46 CPUFreq supports a user space governor that enables setting frequency via manipulating the virtual file device from a user space application.
47 The Power library in the DPDK provides a set of APIs for manipulating a virtual file device to allow user space application
48 to set the CPUFreq governor and set the frequency of specific cores.
49
50 This application includes a P-state power management algorithm to generate a frequency hint to be sent to CPUFreq.
51 The algorithm uses the number of received and available Rx packets on recent polls to make a heuristic decision to scale frequency up/down.
52 Specifically, some thresholds are checked to see whether a specific core running an DPDK polling thread needs to increase frequency
53 a step up based on the near to full trend of polled Rx queues.
54 Also, it decreases frequency a step if packet processed per loop is far less than the expected threshold
55 or the thread's sleeping time exceeds a threshold.
56
57 C-States are also known as sleep states.
58 They allow software to put an Intel core into a low power idle state from which it is possible to exit via an event, such as an interrupt.
59 However, there is a tradeoff between the power consumed in the idle state and the time required to wake up from the idle state (exit latency).
60 Therefore, as you go into deeper C-states, the power consumed is lower but the exit latency is increased. Each C-state has a target residency.
61 It is essential that when entering into a C-state, the core remains in this C-state for at least as long as the target residency in order
62 to fully realize the benefits of entering the C-state.
63 CPUIdle is the infrastructure provide by the Linux kernel to control the processor C-state capability.
64 Unlike CPUFreq, CPUIdle does not provide a mechanism that allows the application to change C-state.
65 It actually has its own heuristic algorithms in kernel space to select target C-state to enter by executing privileged instructions like HLT and MWAIT,
66 based on the speculative sleep duration of the core.
67 In this application, we introduce a heuristic algorithm that allows packet processing cores to sleep for a short period
68 if there is no Rx packet received on recent polls.
69 In this way, CPUIdle automatically forces the corresponding cores to enter deeper C-states
70 instead of always running to the C0 state waiting for packets.
71
72 .. note::
73
74     To fully demonstrate the power saving capability of using C-states,
75     it is recommended to enable deeper C3 and C6 states in the BIOS during system boot up.
76
77 Compiling the Application
78 -------------------------
79
80 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
81
82 The application is located in the ``l3fwd-power`` sub-directory.
83
84 Running the Application
85 -----------------------
86
87 The application has a number of command line options:
88
89 .. code-block:: console
90
91     ./build/l3fwd_power [EAL options] -- -p PORTMASK [-P]  --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)] [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]] [--no-numa]
92
93 where,
94
95 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
96
97 *   -P: Sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
98     Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
99
100 *   --config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]: determines which queues from which ports are mapped to which cores.
101
102 *   --enable-jumbo: optional, enables jumbo frames
103
104 *   --max-pkt-len: optional, maximum packet length in decimal (64-9600)
105
106 *   --no-numa: optional, disables numa awareness
107
108 *   --empty-poll: Traffic Aware power management. See below for details
109
110 See :doc:`l3_forward` for details.
111 The L3fwd-power example reuses the L3fwd command line options.
112
113 Explanation
114 -----------
115
116 The following sections provide some explanation of the sample application code.
117 As mentioned in the overview section,
118 the initialization and run-time paths are identical to those of the L3 forwarding application.
119 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding with Power Management sample application.
120
121 Power Library Initialization
122 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
123
124 The Power library is initialized in the main routine.
125 It changes the P-state governor to userspace for specific cores that are under control.
126 The Timer library is also initialized and several timers are created later on,
127 responsible for checking if it needs to scale down frequency at run time by checking CPU utilization statistics.
128
129 .. note::
130
131     Only the power management related initialization is shown.
132
133 .. code-block:: c
134
135     int main(int argc, char **argv)
136     {
137         struct lcore_conf *qconf;
138         int ret;
139         unsigned nb_ports;
140         uint16_t queueid, portid;
141         unsigned lcore_id;
142         uint64_t hz;
143         uint32_t n_tx_queue, nb_lcores;
144         uint8_t nb_rx_queue, queue, socketid;
145
146         // ...
147
148         /* init RTE timer library to be used to initialize per-core timers */
149
150         rte_timer_subsystem_init();
151
152         // ...
153
154
155         /* per-core initialization */
156
157         for (lcore_id = 0; lcore_id < RTE_MAX_LCORE; lcore_id++) {
158             if (rte_lcore_is_enabled(lcore_id) == 0)
159                 continue;
160
161             /* init power management library for a specified core */
162
163             ret = rte_power_init(lcore_id);
164             if (ret)
165                 rte_exit(EXIT_FAILURE, "Power management library "
166                     "initialization failed on core%d\n", lcore_id);
167
168             /* init timer structures for each enabled lcore */
169
170             rte_timer_init(&power_timers[lcore_id]);
171
172             hz = rte_get_hpet_hz();
173
174             rte_timer_reset(&power_timers[lcore_id], hz/TIMER_NUMBER_PER_SECOND, SINGLE, lcore_id, power_timer_cb, NULL);
175
176             // ...
177         }
178
179         // ...
180     }
181
182 Monitoring Loads of Rx Queues
183 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
184
185 In general, the polling nature of the DPDK prevents the OS power management subsystem from knowing
186 if the network load is actually heavy or light.
187 In this sample, sampling network load work is done by monitoring received and
188 available descriptors on NIC Rx queues in recent polls.
189 Based on the number of returned and available Rx descriptors,
190 this example implements algorithms to generate frequency scaling hints and speculative sleep duration,
191 and use them to control P-state and C-state of processors via the power management library.
192 Frequency (P-state) control and sleep state (C-state) control work individually for each logical core,
193 and the combination of them contributes to a power efficient packet processing solution when serving light network loads.
194
195 The rte_eth_rx_burst() function and the newly-added rte_eth_rx_queue_count() function are used in the endless packet processing loop
196 to return the number of received and available Rx descriptors.
197 And those numbers of specific queue are passed to P-state and C-state heuristic algorithms
198 to generate hints based on recent network load trends.
199
200 .. note::
201
202     Only power control related code is shown.
203
204 .. code-block:: c
205
206     static
207     attribute ((noreturn)) int main_loop( attribute ((unused)) void *dummy)
208     {
209         // ...
210
211         while (1) {
212         // ...
213
214         /**
215          * Read packet from RX queues
216          */
217
218         lcore_scaleup_hint = FREQ_CURRENT;
219         lcore_rx_idle_count = 0;
220
221         for (i = 0; i < qconf->n_rx_queue; ++i)
222         {
223             rx_queue = &(qconf->rx_queue_list[i]);
224             rx_queue->idle_hint = 0;
225             portid = rx_queue->port_id;
226             queueid = rx_queue->queue_id;
227
228             nb_rx = rte_eth_rx_burst(portid, queueid, pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
229             stats[lcore_id].nb_rx_processed += nb_rx;
230
231             if (unlikely(nb_rx == 0)) {
232                 /**
233                  * no packet received from rx queue, try to
234                  * sleep for a while forcing CPU enter deeper
235                  * C states.
236                  */
237
238                 rx_queue->zero_rx_packet_count++;
239
240                 if (rx_queue->zero_rx_packet_count <= MIN_ZERO_POLL_COUNT)
241                     continue;
242
243                 rx_queue->idle_hint = power_idle_heuristic(rx_queue->zero_rx_packet_count);
244                 lcore_rx_idle_count++;
245             } else {
246                 rx_ring_length = rte_eth_rx_queue_count(portid, queueid);
247
248                 rx_queue->zero_rx_packet_count = 0;
249
250                 /**
251                  * do not scale up frequency immediately as
252                  * user to kernel space communication is costly
253                  * which might impact packet I/O for received
254                  * packets.
255                  */
256
257                 rx_queue->freq_up_hint = power_freq_scaleup_heuristic(lcore_id, rx_ring_length);
258             }
259
260             /* Prefetch and forward packets */
261
262             // ...
263         }
264
265         if (likely(lcore_rx_idle_count != qconf->n_rx_queue)) {
266             for (i = 1, lcore_scaleup_hint = qconf->rx_queue_list[0].freq_up_hint; i < qconf->n_rx_queue; ++i) {
267                 x_queue = &(qconf->rx_queue_list[i]);
268
269                 if (rx_queue->freq_up_hint > lcore_scaleup_hint)
270
271                     lcore_scaleup_hint = rx_queue->freq_up_hint;
272             }
273
274             if (lcore_scaleup_hint == FREQ_HIGHEST)
275
276                 rte_power_freq_max(lcore_id);
277
278             else if (lcore_scaleup_hint == FREQ_HIGHER)
279                 rte_power_freq_up(lcore_id);
280             } else {
281                 /**
282                  *  All Rx queues empty in recent consecutive polls,
283                  *  sleep in a conservative manner, meaning sleep as
284                  * less as possible.
285                  */
286
287                 for (i = 1, lcore_idle_hint = qconf->rx_queue_list[0].idle_hint; i < qconf->n_rx_queue; ++i) {
288                     rx_queue = &(qconf->rx_queue_list[i]);
289                     if (rx_queue->idle_hint < lcore_idle_hint)
290                         lcore_idle_hint = rx_queue->idle_hint;
291                 }
292
293                 if ( lcore_idle_hint < SLEEP_GEAR1_THRESHOLD)
294                     /**
295                      *   execute "pause" instruction to avoid context
296                      *   switch for short sleep.
297                      */
298                     rte_delay_us(lcore_idle_hint);
299                 else
300                     /* long sleep force ruining thread to suspend */
301                     usleep(lcore_idle_hint);
302
303                stats[lcore_id].sleep_time += lcore_idle_hint;
304             }
305         }
306     }
307
308 P-State Heuristic Algorithm
309 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
310
311 The power_freq_scaleup_heuristic() function is responsible for generating a frequency hint for the specified logical core
312 according to available descriptor number returned from rte_eth_rx_queue_count().
313 On every poll for new packets, the length of available descriptor on an Rx queue is evaluated,
314 and the algorithm used for frequency hinting is as follows:
315
316 *   If the size of available descriptors exceeds 96, the maximum frequency is hinted.
317
318 *   If the size of available descriptors exceeds 64, a trend counter is incremented by 100.
319
320 *   If the length of the ring exceeds 32, the trend counter is incremented by 1.
321
322 *   When the trend counter reached 10000 the frequency hint is changed to the next higher frequency.
323
324 .. note::
325
326     The assumption is that the Rx queue size is 128 and the thresholds specified above
327     must be adjusted accordingly based on actual hardware Rx queue size,
328     which are configured via the rte_eth_rx_queue_setup() function.
329
330 In general, a thread needs to poll packets from multiple Rx queues.
331 Most likely, different queue have different load, so they would return different frequency hints.
332 The algorithm evaluates all the hints and then scales up frequency in an aggressive manner
333 by scaling up to highest frequency as long as one Rx queue requires.
334 In this way, we can minimize any negative performance impact.
335
336 On the other hand, frequency scaling down is controlled in the timer callback function.
337 Specifically, if the sleep times of a logical core indicate that it is sleeping more than 25% of the sampling period,
338 or if the average packet per iteration is less than expectation, the frequency is decreased by one step.
339
340 C-State Heuristic Algorithm
341 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
342
343 Whenever recent rte_eth_rx_burst() polls return 5 consecutive zero packets,
344 an idle counter begins incrementing for each successive zero poll.
345 At the same time, the function power_idle_heuristic() is called to generate speculative sleep duration
346 in order to force logical to enter deeper sleeping C-state.
347 There is no way to control C- state directly, and the CPUIdle subsystem in OS is intelligent enough
348 to select C-state to enter based on actual sleep period time of giving logical core.
349 The algorithm has the following sleeping behavior depending on the idle counter:
350
351 *   If idle count less than 100, the counter value is used as a microsecond sleep value through rte_delay_us()
352     which execute pause instructions to avoid costly context switch but saving power at the same time.
353
354 *   If idle count is between 100 and 999, a fixed sleep interval of 100 μs is used.
355     A 100 μs sleep interval allows the core to enter the C1 state while keeping a fast response time in case new traffic arrives.
356
357 *   If idle count is greater than 1000, a fixed sleep value of 1 ms is used until the next timer expiration is used.
358     This allows the core to enter the C3/C6 states.
359
360 .. note::
361
362     The thresholds specified above need to be adjusted for different Intel processors and traffic profiles.
363
364 If a thread polls multiple Rx queues and different queue returns different sleep duration values,
365 the algorithm controls the sleep time in a conservative manner by sleeping for the least possible time
366 in order to avoid a potential performance impact.
367
368 Empty Poll Mode
369 -------------------------
370 Additionally, there is a traffic aware mode of operation called "Empty
371 Poll" where the number of empty polls can be monitored to keep track
372 of how busy the application is. Empty poll mode can be enabled by the
373 command line option --empty-poll.
374
375 See :doc:`Power Management<../prog_guide/power_man>` chapter in the DPDK Programmer's Guide for empty poll mode details.
376
377 .. code-block:: console
378
379     ./l3fwd-power -l xxx   -n 4   -w 0000:xx:00.0 -w 0000:xx:00.1 -- -p 0x3 -P --config="(0,0,xx),(1,0,xx)" --empty-poll="0,0,0" -l 14 -m 9 -h 1
380
381 Where,
382
383 --empty-poll: Enable the empty poll mode instead of original algorithm
384
385 --empty-poll="training_flag, med_threshold, high_threshold"
386
387 * ``training_flag`` : optional, enable/disable training mode. Default value is 0. If the training_flag is set as 1(true), then the application will start in training mode and print out the trained threshold values. If the training_flag is set as 0(false), the application will start in normal mode, and will use either the default thresholds or those supplied on the command line. The trained threshold values are specific to the user’s system, may give a better power profile when compared to the default threshold values.
388
389 * ``med_threshold`` : optional, sets the empty poll threshold of a modestly busy system state. If this is not supplied, the application will apply the default value of 350000.
390
391 * ``high_threshold`` : optional, sets the empty poll threshold of a busy system state. If this is not supplied, the application will apply the default value of 580000.
392
393 * -l : optional, set up the LOW power state frequency index
394
395 * -m : optional, set up the MED power state frequency index
396
397 * -h : optional, set up the HIGH power state frequency index
398
399 Empty Poll Mode Example Usage
400 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
401 To initially obtain the ideal thresholds for the system, the training
402 mode should be run first. This is achieved by running the l3fwd-power
403 app with the training flag set to “1”, and the other parameters set to
404 0.
405
406 .. code-block:: console
407
408         ./examples/l3fwd-power/build/l3fwd-power -l 1-3 -- -p 0x0f --config="(0,0,2),(0,1,3)" --empty-poll "1,0,0" –P
409
410 This will run the training algorithm for x seconds on each core (cores 2
411 and 3), and then print out the recommended threshold values for those
412 cores. The thresholds should be very similar for each core.
413
414 .. code-block:: console
415
416         POWER: Bring up the Timer
417         POWER: set the power freq to MED
418         POWER: Low threshold is 230277
419         POWER: MED threshold is 335071
420         POWER: HIGH threshold is 523769
421         POWER: Training is Complete for 2
422         POWER: set the power freq to MED
423         POWER: Low threshold is 236814
424         POWER: MED threshold is 344567
425         POWER: HIGH threshold is 538580
426         POWER: Training is Complete for 3
427
428 Once the values have been measured for a particular system, the app can
429 then be started without the training mode so traffic can start immediately.
430
431 .. code-block:: console
432
433         ./examples/l3fwd-power/build/l3fwd-power -l 1-3 -- -p 0x0f --config="(0,0,2),(0,1,3)" --empty-poll "0,340000,540000" –P