Runtime PM 处理不当导致的 external abort on non-linefetch 案例分享

硬件平台：某ARM SoC

软件平台：Linux

1 Runtime PM 简介

在介绍 Runtime PM 之前，不妨先看看传统的电源管理。传统的电源管理机制，称之为 System PM（System Suspend & Resume），当整个系统要进入睡眠时，依次调用各驱动模块的 suspend 函数，是一种粗粒度的电源管理，执行路径相对也比较单一。

Runtime PM，直译过来就是运行时电源管理。每个设备（包括芯片内部件）各自处理好自身的电源管理工作，在不需要工作的时候尽量进入低功耗状态，在需要工作时又重新起来。这样即使整个系统没有进入睡眠的情况下，设备自身也可以根据实际工作情况决定是否要进入低功耗状态，达到尽量省电的目的。

落实到代码上，当需要设备工作时，通过调用 pm_runtime_get_sync 让设备 runtime resume；当工作完成后，通过调用 pm_runtime_put 让设备 runtime suspend，伪代码如下：

senddata()
{
pm_runtime_get_sync()
do something ...
pm_runtime_put()
}

recvdata()
{
pm_runtime_get_sync()
do something ...
pm_runtime_put()
}

pm_runtime_get_sync 和 pm_runtime_put 会维护一个引用计数，pm_runtime_get_sync 会增加引用计数，pm_runtime_put 会减少引用计数，当引用计数为0时，才会真正让设备进入低功耗。

Runtime PM 的概念是比较直观的，对于某个设备来说，就是谁需要我工作，就 get 我，否则就 put 我。但是提供的函数接口有点多，本文的重点不在这里，就不一一介绍了，常用的如下：

• pm_runtime_get_sync //请求
• pm_runtime_put //释放
• pm_runtime_use_autosuspend //启用auto-suspend
• pm_runtime_set_autosuspend_delay //设置多久之后auto-suspend
• pm_runtime_put_autosuspend //带auto-suspend的释放
• pm_runtime_mark_last_busy //重置auto-suspend时间计数

Runtime PM 调用的时机，需要设备驱动仔细地处理，不然可能引发功耗问题或者系统异常。

• 如果控制的粒度太细，比如封装一个寄存器读写接口，每次去读写这个设备的寄存器时，都先 get 再 put，那未免代价太高了；
• 如果控制的粒度太粗，比如设备驱动起来后就一直 get，直到系统 suspend 才 put，那就和传统的电源管理差不多了，失去了 Runtime PM 的意义。
• 如果 get / put 接口没有成对调用，比如 get 的次数大于 put 的次数，那设备就进不了低功耗。
• 如果 put 的时机不太合适，导致设备下电后仍然有代码访问设备，那么就可能出现异常。

2 问题案例 Kernel Panic：external abort on non-linefetch

external abort on non-linefetch，常见的原因是：读写芯片内某个部件的寄存器时，该部件的 power 和 clock 还没有开启。

案例一，通过用户空间 spidev_test 程序测试 SPI 时报错。

[ 86.901554] c2 Unhandled fault: external abort on non-linefetch (0x1008) at 0xe999a008
[ 86.909373] c2 pgd = 6fa82014
[ 86.912315] c2 [e999a008] *pgd=a80e1811, *pte=70a00653, *ppte=70a00453
[ 86.918813] c2 Internal error: : 1008 [#1] PREEMPT SMP ARM
[ 86.942798] c2 CPU: 2 PID: 2653 Comm: spidev_test Tainted: G O 4.14.133+ #10
[ 86.950923] c2 Hardware name: Generic DT based system
[ 86.955945] c2 task: 434d36b9 task.stack: a6b02495
[ 86.960713] c2 PC is at foo_spi_chipselect+0x8c/0xdc
[ 86.965721] c2 LR is at 0xe999a000
[ 86.969095] c2 pc : [<c0671184>] lr : [<e999a000>] psr: a00f0013
[ 86.975590] c2 sp : c3a07db8 ip : 00000000 fp : c3a07dd4
[ 86.981039] c2 r10: 00000036 r9 : 00000003 r8 : 00000196
[ 86.986489] c2 r7 : 00000196 r6 : e999a008 r5 : c3a07db8 r4 : c067113c
[ 86.993241] c2 r3 : c11adb28 r2 : e9898030 r1 : 00000030 r0 : e9898000
[ 86.999993] c2 Flags: NzCv IRQs on FIQs on Mode SVC_32 ISA ARM Segment none
[ 87.007349] c2 Control: 10c5383d Table: 8531806a DAC: 00000051
[ 87.013319] c2 Process spidev_test (pid: 2653, stack limit = 0xd6c1587c)
...
[ 87.184082] c2 [<c0671184>] (foo_spi_chipselect) from [<c066b4c0>] (spi_set_cs+0x8c/0x90)
[ 87.192294] c2 [<c066b4c0>] (spi_set_cs) from [<c066df88>] (spi_setup+0x128/0x1dc)
[ 87.199814] c2 [<c066df88>] (spi_setup) from [<c066fa84>] (spidev_ioctl+0x26c/0x84c)
[ 87.207521] c2 [<c066fa84>] (spidev_ioctl) from [<c02cda60>] (vfs_ioctl+0x28/0x44)
[ 87.215048] c2 [<c02cda60>] (vfs_ioctl) from [<c02ce370>] (do_vfs_ioctl+0x7a8/0x900)
[ 87.222748] c2 [<c02ce370>] (do_vfs_ioctl) from [<c02ce524>] (SyS_ioctl+0x5c/0x84)
[ 87.230276] c2 [<c02ce524>] (SyS_ioctl) from [<c0108760>] (ret_fast_syscall+0x0/0x28)

从函数调用栈可以看出，spidev_test 程序通过 IOCTL 与 SPI driver 交互时，在 SPI driver 的 foo_spi_chipselect 函数中发生了错误。foo_spi_chipselect 函数的内容如下，可以看到它读写了 SPI Controller 的寄存器，但是操作之前并没有调用 pm_runtime_get 让 controller resume。

static void foo_spi_chipselect(struct spi_device *sdev, bool cs)
{
struct spi_controller *sctlr = sdev->controller;
struct foo_spi *ss = spi_controller_get_devdata(sctlr);
u32 val;

val = readl_relaxed(ss->base + FOO_SPI_CTL0);
/* The SPI controller will pull down CS pin if cs is 0 */
if (!cs) {
val &= ~FOO_SPI_CS0_VALID;
writel_relaxed(val, ss->base + FOO_SPI_CTL0);
} else {
val |= FOO_SPI_CSN_MASK;
writel_relaxed(val, ss->base + FOO_SPI_CTL0);
}
}

我们可以改成如下代码解决问题。

static void foo_spi_chipselect(struct spi_device *sdev, bool cs)
{
struct spi_controller *sctlr = sdev->controller;
struct foo_spi *ss = spi_controller_get_devdata(sctlr);
u32 val;

+ 	pm_runtime_get_sync(ss->dev);
val = readl_relaxed(ss->base + FOO_SPI_CTL0);
/* The SPI controller will pull down CS pin if cs is 0 */
if (!cs) {
val &= ~FOO_SPI_CS0_VALID;
writel_relaxed(val, ss->base + FOO_SPI_CTL0);
} else {
val |= FOO_SPI_CSN_MASK;
writel_relaxed(val, ss->base + FOO_SPI_CTL0);
}
+ 	pm_runtime_mark_last_busy(ss->dev);
+ 	pm_runtime_put_autosuspend(ss->dev);
}

但是较新的（2019年10月份以后） kernel spi 代码，已经在 spi core 代码中修复了此问题，无需改动芯片厂商的 controller 驱动。

diff --git a/drivers/spi/spi.c b/drivers/spi/spi.c
index f9502db..19007e0 100644
--- a/drivers/spi/spi.c
+++ b/drivers/spi/spi.c
@@ -3091,7 +3091,20 @@ int spi_setup(struct spi_device *spi)
if (spi->controller->setup)
status = spi->controller->setup(spi);

-	spi_set_cs(spi, false);
+	if (spi->controller->auto_runtime_pm && spi->controller->set_cs) {
+		status = pm_runtime_get_sync(spi->controller->dev.parent);
+		if (status < 0) {
+			pm_runtime_put_noidle(spi->controller->dev.parent);
+			dev_err(&spi->controller->dev, "Failed to power device: %d\n",
+				status);
+			return status;
+		}
+		spi_set_cs(spi, false);
+		pm_runtime_mark_last_busy(spi->controller->dev.parent);
+		pm_runtime_put_autosuspend(spi->controller->dev.parent);
+	} else {
+		spi_set_cs(spi, false);
+	}

if (spi->rt && !spi->controller->rt) {
spi->controller->rt = true;

详情可参考 https://lore.kernel.org/linux-arm-kernel/1572426234-30019-1-git-send-email-luhua.xu@mediatek.com/

案例二 USB做Host时反复开关机测试出现异常

[ 11.616956] c0 Unhandled fault: external abort on non-linefetch (0x1008) at 0xd02d4001
[ 11.624774] c0 pgd = c0004000
[ 11.627708] [d02d4001] *pgd=8f69a811, *pte=20200653, *ppte=20200453
[ 11.633944] c0 Internal error: : 1008 [#1] PREEMPT SMP ARM
[ 11.639390] Modules linked in:
[ 11.642424] c0 CPU: 0 PID: 161 Comm: kworker/0:3 Not tainted 4.4.83 #1
[ 11.648909] c0 Hardware name: Generic DT based system
[ 11.653940] Workqueue: events musb_deassert_reset
[ 11.658601] c0 task: ce854780 task.stack: ce8c6000
[ 11.663364] c0 PC is at musb_default_readb+0x54/0x9c

原因和案例一类似，musb_deassert_reset 在 USB controller shutdown 的状态下访问了 USB controller 的寄存器。

static void musb_deassert_reset(struct work_struct *work)
{
struct musb *musb;
unsigned long flags;

musb = container_of(work, struct musb, deassert_reset_work.work);

+	pm_runtime_get_sync(musb->controller);

spin_lock_irqsave(&musb->lock, flags);

if (musb->port1_status & USB_PORT_STAT_RESET)
musb_port_reset(musb, false);

spin_unlock_irqrestore(&musb->lock, flags);

+	pm_runtime_put(musb->controller);
}

按以上修改后，上述错误路径不复现，但是出现了新的错误路径，说明修改得并不彻底。

[ 13.364606] c0 Unhandled fault: external abort on non-linefetch (0x1008) at 0xd02d4001
[ 13.372418] c0 pgd = c0004000
[ 13.375359] [d02d4001] *pgd=8f69a811, *pte=20200653, *ppte=20200453
[ 13.381595] c0 Internal error: : 1008 [#1] PREEMPT SMP ARM
[ 13.387042] Modules linked in:
[ 13.390075] c0 CPU: 0 PID: 4 Comm: kworker/0:0 Not tainted 4.4.83 #1
[ 13.396388] c0 Hardware name: Generic DT based system
[ 13.401417] Workqueue: usb_hub_wq hub_event
[ 13.405562] c0 task: cf471380 task.stack: cf490000
[ 13.410326] c0 PC is at musb_default_readb+0x54/0x9c

梳理 musb 代码（drivers/usb/musb/*），发现 musb_gadget 代码有针对 runtime PM 的处理，musb_host 代码则没有针对 runtime PM 的处理。最后的处理方案是在 USB controller 驱动中完善 runtime PM 处理，没有修改 musb 公共代码。具体修改细节与该厂商 USB controller 的驱动实现逻辑有关，没有普遍的借鉴意义，就没有必要贴出了。

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作者：bigfish99

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