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RISC-V 休眠实现分析 1 -- 休眠过程

sugarfillet 创作于 2024/08/09

Corrector: TinyCorrect v0.1 - [spaces header toc codeblock codeinline pangu epw] Author: sugarfillet sugarfillet@yeah.net Date: 2023/05/27 Revisor: Falcon falcon@tinylab.org Project: RISC-V Linux 内核剖析 Proposal: RISC-V Linux SMP 技术调研与分析 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS

前言

Linux 休眠功能是电源管理中的一个重要技术点。它能让系统在不需要工作时,将系统状态保存在硬盘上,并尽可能进入一个功耗极低的状态,这时外部的设备进入了低功耗状态或关闭电源状态,从而尽可能的减少功耗,增加产品的续航。另一方面,在用户需要系统工作的时候,系统能够快速恢复保存的系统状态,从而不影响用户的使用体验。

RISC-V 架构在 Linux v6.4-rc1 版本引入了对系统休眠的支持,本系列文章对其实现进行分析。

说明

  • 本文的 Linux 版本采用 Linux v6.4-rc1

休眠/唤醒的触发简介

正如 CONFIG_HIBERNATION 依赖(depends on SWAP)所描述的,系统休眠之前需要提前配好 swap 分区或者文件,之后可简单通过 echo disk > /sys/power/state 命令执行休眠并关机。而如果要实现系统唤醒,则需要在在内核命令行中指定 resume=/dev/swappartition,在系统启动时则会在指定的 swap 分区中加载休眠镜像并恢复保存的系统状态。

除了 /sys/power/state 接口,Linux 还向用户态提供以下几种方式以触发休眠流程:

  1. LINUX_REBOOT_CMD_SW_SUSPEND 为参数调用 reboot 系统调用,具体可参考 man 2 reboot
  2. 基于 /sys/class/misc/snapshot/dev 设备的操作,具体可参考 userland-swsusp.txt
  3. uswsusp 工具,具体可参考其官网

上述接口或者工具的使用不是本文讨论的重点,有兴趣的同学可以参考相关链接进行研究。

无论采用什么样的接口触发休眠,最终都会走到内核的 hibernate() 函数。

在休眠的整个过程中涉及到比较多准备工作(其他子系统的挂起和恢复操作)比如:

  • PM 相关的挂起控制台 – SUSPEND_CONSOLE、休眠事件通知链触发
  • 文件系统的同步
  • 进程的冻结与解冻
  • 设备的电源管理 (DPM)
  • 设备的热插拔管理

篇幅有限,这些准备工作的实现不做展开,只在下文代码中做简单的注释。

休眠核心代码

hibernate

hibernate() 函数负责实现系统休眠。主要执行以下关键过程:

  • 执行一些休眠的准备工作:文件系统同步、进程冻结、设备挂起等
  • 调用 create_basic_memory_bitmaps 函数创建两个 bitmap – forbidden_pages_mapfree_pages_map
  • 调用 hibernation_snapshot 函数用来创建休眠镜像
  • hibernation_snapshot 返回后,判断 in_suspend 变量,
    • 如果还在休眠过程中,则执行 swsusp_write 写入休眠镜像到 swap,并关机
    • 否则代表从唤醒过程中返回,回退之前的准备操作,返回到休眠触发之前的环境中
// kernel/power/hibernate.c : 722

hibernate()
  pr_info("hibernation entry\n");

  pm_prepare_console();  // SUSPEND_CONSOLE
  pm_notifier_call_chain_robust(PM_HIBERNATION_PREPARE, PM_POST_HIBERNATION);
  ksys_sync_helper();   // 文件系统同步
  freeze_processes();   // 冻结进程
  lock_device_hotplug();  // 关闭设备热插拔
  create_basic_memory_bitmaps(); // Create bitmaps to hold basic page information.
                                 // init forbidden_pages_map and free_pages_map

  hibernation_snapshot();
    hibernate_preallocate_memory();  // 为系统要保存到休眠镜像中的内存分配拷贝空间

    freeze_kernel_threads(); // 冻结内核线程
    suspend_console();     // 挂起控制台

    create_image(platform_mode);

    // 1. after the image has been created or failed  2. after a successful restore.

    resume_console();

  if (in_suspend) {
    pm_pr_dbg("Writing hibernation image.\n");
    swsusp_write(flags); && power_down();
  else {
    pm_pr_dbg("Hibernation image restored successfully.\n");
  }

  free_basic_memory_bitmaps();
  unlock_device_hotplug();
  thaw_processes();
  pm_notifier_call_chain(PM_POST_HIBERNATION);
  pm_restore_console();

  pr_info("hibernation exit\n");

hibernation_snapshot

hibernation_snapshot 函数用来创建休眠镜像,关键过程有:

hibernate_preallocate_memory 函数为休眠镜像分配内存空间,分配的大小基于以下公式进行计算(不考虑 ZONE_HIGHMEM):

max_size = ([page frames total] - PAGES_FOR_IO - [metadata pages]) / 2  - 2 * DIV_ROUND_UP(reserved_size, PAGE_SIZE)
  • “page frames total” 为 zone 分配器中整体可用的页(对应代码中的 count 变量),具体为:可保存的 (saveable_page()) 以及可用的 NR_FREE_PAGES 页之和,减掉 min_free_kbytes 配置保留的页)

  • PAGES_FOR_IO 以及 reserved_size (/sys/power/reserved_size) 表示休眠过程中为设备驱动的休眠回调函数保留的页;

  • “metadata pages” 计算以 struct rtree_node 结构表示所有 zone 的总页数 – zone->spanned_pages 所需的大小。

/sys/power/image_size 是用户指定的休眠镜像大小,需要保证其不超过之前计算的 max_size。最后,如果计算的镜像大小(size)足以保存要保存的页 saveable,则调用 preallocate_image_memory 分配 saveable 数量的页,并在 copy_bm 中标记这些页;否则需要回收一定内存(shrink_all_memory)来分配。

此函数的计算过程确实比较复杂,但从整体来看,该函数为 zone 分配器中可保存的页一比一地分配拷贝页,并记录到 copy_bm bitmap 中。最终你会在日志中看到这样几条日志:

[  115.354044] PM: hibernation: Preallocating image memory
[  117.949620] PM: hibernation: Allocated 84251 pages for snapshot
[  117.950187] PM: hibernation: Allocated 337004 kbytes in 2.59 seconds (130.11 MB/s)
// kernel/power/snapshot.c : 1736

hibernate_preallocate_memory()

  memory_bm_create(&orig_bm, GFP_IMAGE, PG_ANY);
  memory_bm_create(&copy_bm, GFP_IMAGE, PG_ANY);

  saveable = count_data_pages();  // 可保存的页
    for_each_populated_zone(zone) {
        mark_free_pages(zone);   // mark zone->free_area in free_pages_map
        for (pfn = zone->zone_start_pfn; pfn < max_zone_pfn; pfn++)
          if (saveable_page(zone, pfn))  n++;

  count = saveable;

  for_each_populated_zone(zone) {
    size += snapshot_additional_pages(zone); // 基于 `zone->spanned_pages` 计算
    count += zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES); // 可用的页

  avail_normal = count;
  count -= totalreserve_pages; //

  max_size = (count - (size + PAGES_FOR_IO)) / 2 - 2 * DIV_ROUND_UP(reserved_size, PAGE_SIZE);

  size = DIV_ROUND_UP(image_size, PAGE_SIZE); // /sys/power/image_size 不能大于 max_size
  if (size > max_size)
    size = max_size;

  if (size >= saveable) {  // 如果镜像大小足以保存可保存的页
    pages += preallocate_image_memory(saveable - pages, avail_normal);
      page = alloc_image_page(mask);
      memory_bm_set_bit(&copy_bm, page_to_pfn(page));
      alloc_normal++;
    goto out;
  // ...
out:
  pr_info("Allocated %lu pages for snapshot\n", pages);

hibernation_snapshot 紧接着冻结内核线程、挂起控制台,之后调用 create_image 函数。此函数负责在关闭其他 CPU、挂起系统设备、关中断后,调用 swsusp_arch_suspend 保存休眠上下文到 hibernate_cpu_context 变量中(下文展开分析),执行 swsusp_save 函数构建正式的休眠镜像。

// kernel/power/hibernate.c : 293

create_image()

  pm_sleep_disable_secondary_cpus()  // 关闭其他 CPU
    freeze_secondary_cpus()
        _cpu_down(cpu, 1, CPUHP_OFFLINE);

  local_irq_disable();
  system_state = SYSTEM_SUSPEND;
  syscore_suspend(); // suspend system devices

  in_suspend = 1;
  save_processor_state();  // ARCH
    WARN_ON(num_online_cpus() != 1);

  error = swsusp_arch_suspend();
    __cpu_suspend_enter(hibernate_cpu_context)    // save hibernate_cpu_context
    swsusp_save()
  /* Restore control flow magically appears here */
  restore_processor_state();

  syscore_resume();
  system_state = SYSTEM_RUNNING;
  local_irq_enable();
  pm_sleep_enable_secondary_cpus();   // back to hibernate do swsusp_write

swsusp_save 函数用于创建最终的休眠镜像,关键过程有:

  • 调用 drain_local_pages 释放 zone 中的可用页,重新计算需要保存的页 nr_pages
  • 调用 swsusp_alloc()hibernate_preallocate_memory 分配的拷贝页 – alloc_normal 的基础上按需分配镜像内存
  • 调用 copy_data_pages 函数在 orig_bm 标记当前 zone 分配器中要保留的页,遍历 orig_bm 中标记的页,拷贝到 copy_bm 分配的内存中
  • 更新用于记录已拷贝页数目的变量 – nr_copy_pages,用于管理已拷贝页的变量 – nr_meta_pages

最终,你会看到这样日志输出:

[  118.051476] PM: hibernation: Creating image:
[  118.051476] PM: hibernation: Need to copy 82423 pages
[  118.051476] PM: hibernation: Image created (82423 pages copied)
// kernel/power/snapshot.c : 2762

asmlinkage __visible int swsusp_save(void)

  pr_info("Creating image:\n");
  drain_local_pages(NULL);  // 释放 zone 中的可用页

  nr_pages = count_data_pages(); // 重新计算可保存的页
  nr_highmem = count_highmem_pages();
  pr_info("Need to copy %u pages\n", nr_pages + nr_highmem);

  swsusp_alloc(&copy_bm, nr_pages, nr_highmem); // 对比可保存页与之前分配的页的大小,按需分配内存
    nr_pages -= alloc_normal; // alloc_normal 为设备挂起之前分配的内存,如果重新计算的页总数比其小则不用再分配
    while (nr_pages-- > 0)
      page = alloc_image_page(GFP_ATOMIC);
      memory_bm_set_bit(copy_bm, page_to_pfn(page));

  copy_data_pages(&copy_bm, &orig_bm);  // 将系统要保存的页保存在 `copy_bm` 分配的内存中
    for_each_populated_zone(zone) {       // 设置要保存的页到 orig_bm
        for (pfn = zone->zone_start_pfn; pfn < max_zone_pfn; pfn++)
          if (page_is_saveable(zone, pfn))
            memory_bm_set_bit(orig_bm, pfn);

    copy_data_page(memory_bm_next_pfn(copy_bm), pfn);  // 拷贝 orig_bm 记录的内存页到 copy_bm 分配的拷贝页
      safe_copy_page(page_address(pfn_to_page(dst_pfn)), pfn_to_page(src_pfn)); // (void *dst, struct page *s_page)
       if kernel_page_present(s_page)  // else: hibernate_*map_page then do_copy_page
         do_copy_page(dst, page_address(s_page));

  nr_pages += nr_highmem;
  nr_copy_pages = nr_pages;   // Total number of saveable pages
  nr_meta_pages = DIV_ROUND_UP(nr_pages * sizeof(long), PAGE_SIZE);
  pr_info("Image created (%d pages copied)\n", nr_pages);

  return 0 ;

自此休眠镜像已成功创建,需要恢复系统(比如:开中断、启动其他 CPU,恢复设备),最终在 hibernate 函数中判断 in_suspend == 1(在 create_image 中设置)且镜像创建成功,则调用 swsusp_write 成功写入到 swap 分区或者文件中,之后关机。

swsusp_write 函数基于上文提供的 copy_bmnr_copy_pagesnr_meta_pages 三个信息,调用 snapshot_read_nextswap_write_page 两个接口写入休眠镜像。

此处不对 swsusp_write 展开分析:此函数与唤醒时的 swsusp_read 是对称的过程,而对 swsusp_read 的分析是理解唤醒过程的关键,可结合后文对 swsusp_read 理解其实现

RISC-V 休眠代码

在休眠流程中,swsusp_arch_suspend 函数执行 if 分支:保存休眠上下文 struct suspend_context *hibernate_cpu_context;、设置执行休眠的 CPU sleep_cpu、调用休眠核心代码提供的用于创建休眠镜像的 swsusp_save 函数。

而在休眠唤醒过程中,该函数执行 else 分支,配合该分支的 caller – __hibernate_cpu_resume 恢复相关寄存器,设置 in_suspend = 0,通知休眠核心代码系统已唤醒,继而返回到休眠触发路径上。

// arch/riscv/kernel/hibernate.c : 468

int swsusp_arch_suspend(void)
{
        int ret = 0;

        if (__cpu_suspend_enter(hibernate_cpu_context)) {  // save hibernate_cpu_context->regs return 1
                sleep_cpu = smp_processor_id();
                suspend_save_csrs(hibernate_cpu_context);  // save hibernate_cpu_context->{scratch,tvec,ie,satp}
                ret = swsusp_save();
        } else {
                suspend_restore_csrs(hibernate_cpu_context); // restore hibernate_cpu_context->{scratch,tvec,ie,satp}
                flush_tlb_all();
                flush_icache_all();

                /*
                 * Tell the hibernation core that we've just restored the memory.
                 */
                in_suspend = 0;
                sleep_cpu = -EINVAL;
        }

        return ret;
}

休眠上下文利用 struct suspend_context 结构体保存相关寄存器,此结构体也在 sbi_cpuidle 驱动执行失忆型挂起时用于保存相关寄存器,可参考这篇文章。与 sbi_cpuidle 驱动用到 cpu_suspend 函数类似,swsusp_arch_suspend 函数也采用这种巧妙的 if/else 格式,对该函数进行反汇编,可以看到在 __cpu_suspend_enter 函数中保存的 ra 就是下一条指令 beqz 的地址。休眠或者挂起过程中,__cpu_suspend_enter 设置 a0 = 1,执行 if 分支;恢复或者(休眠)唤醒过程中,调用者设置 a0 = 0,执行 else 分支。

(gdb) disassemble swsusp_arch_suspend
   ...
   0xffffffff800095bc <+24>:    auipc   ra,0xfffff
   0xffffffff800095c0 <+28>:    jalr    1168(ra) # 0xffffffff80008a4c <__cpu_suspend_enter>  // call __cpu_suspend_enter
   0xffffffff800095c4 <+32>:    beqz    a0,0xffffffff800095f6 <swsusp_arch_suspend+82>
   ...

小结

RISC-V Linux 休眠的实现的基本思路为:明确要保存的内存 – orig_bm,并为之创建拷贝内存 – copy_bm,完成拷贝(copy_data_pages)后写入 (swsusp_write) swap 分区或者文件中。而在 RISC-V 架构上的实现,通过休眠上下文 hibernate_cpu_context 保存/恢复必要的寄存器,并采用与 cpuidle 相似的 if/else 结构,同时处理休眠触发和休眠唤醒的逻辑,继而返回到休眠触发路径上。整个休眠过程涉及的关键函数及其调用关系,整理如下:

hibernate => hibernation_snapshot         => hibernate_preallocate_memory
          => swsusp_write && power_down   => create_image                  => swsusp_arch_suspend => swsusp_save => copy_data_pages

参考资料



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