Merge branch 'for-3.14-fixes' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/tj...
[linux.git] / Documentation / usb / power-management.txt
1                         Power Management for USB
2
3                  Alan Stern <stern@rowland.harvard.edu>
4
5                             October 28, 2010
6
7
8
9         What is Power Management?
10         -------------------------
11
12 Power Management (PM) is the practice of saving energy by suspending
13 parts of a computer system when they aren't being used.  While a
14 component is "suspended" it is in a nonfunctional low-power state; it
15 might even be turned off completely.  A suspended component can be
16 "resumed" (returned to a functional full-power state) when the kernel
17 needs to use it.  (There also are forms of PM in which components are
18 placed in a less functional but still usable state instead of being
19 suspended; an example would be reducing the CPU's clock rate.  This
20 document will not discuss those other forms.)
21
22 When the parts being suspended include the CPU and most of the rest of
23 the system, we speak of it as a "system suspend".  When a particular
24 device is turned off while the system as a whole remains running, we
25 call it a "dynamic suspend" (also known as a "runtime suspend" or
26 "selective suspend").  This document concentrates mostly on how
27 dynamic PM is implemented in the USB subsystem, although system PM is
28 covered to some extent (see Documentation/power/*.txt for more
29 information about system PM).
30
31 Note: Dynamic PM support for USB is present only if the kernel was
32 built with CONFIG_USB_SUSPEND enabled (which depends on
33 CONFIG_PM_RUNTIME).  System PM support is present only if the kernel
34 was built with CONFIG_SUSPEND or CONFIG_HIBERNATION enabled.
35
36 (Starting with the 3.10 kernel release, dynamic PM support for USB is
37 present whenever the kernel was built with CONFIG_PM_RUNTIME enabled.
38 The CONFIG_USB_SUSPEND option has been eliminated.)
39
40
41         What is Remote Wakeup?
42         ----------------------
43
44 When a device has been suspended, it generally doesn't resume until
45 the computer tells it to.  Likewise, if the entire computer has been
46 suspended, it generally doesn't resume until the user tells it to, say
47 by pressing a power button or opening the cover.
48
49 However some devices have the capability of resuming by themselves, or
50 asking the kernel to resume them, or even telling the entire computer
51 to resume.  This capability goes by several names such as "Wake On
52 LAN"; we will refer to it generically as "remote wakeup".  When a
53 device is enabled for remote wakeup and it is suspended, it may resume
54 itself (or send a request to be resumed) in response to some external
55 event.  Examples include a suspended keyboard resuming when a key is
56 pressed, or a suspended USB hub resuming when a device is plugged in.
57
58
59         When is a USB device idle?
60         --------------------------
61
62 A device is idle whenever the kernel thinks it's not busy doing
63 anything important and thus is a candidate for being suspended.  The
64 exact definition depends on the device's driver; drivers are allowed
65 to declare that a device isn't idle even when there's no actual
66 communication taking place.  (For example, a hub isn't considered idle
67 unless all the devices plugged into that hub are already suspended.)
68 In addition, a device isn't considered idle so long as a program keeps
69 its usbfs file open, whether or not any I/O is going on.
70
71 If a USB device has no driver, its usbfs file isn't open, and it isn't
72 being accessed through sysfs, then it definitely is idle.
73
74
75         Forms of dynamic PM
76         -------------------
77
78 Dynamic suspends occur when the kernel decides to suspend an idle
79 device.  This is called "autosuspend" for short.  In general, a device
80 won't be autosuspended unless it has been idle for some minimum period
81 of time, the so-called idle-delay time.
82
83 Of course, nothing the kernel does on its own initiative should
84 prevent the computer or its devices from working properly.  If a
85 device has been autosuspended and a program tries to use it, the
86 kernel will automatically resume the device (autoresume).  For the
87 same reason, an autosuspended device will usually have remote wakeup
88 enabled, if the device supports remote wakeup.
89
90 It is worth mentioning that many USB drivers don't support
91 autosuspend.  In fact, at the time of this writing (Linux 2.6.23) the
92 only drivers which do support it are the hub driver, kaweth, asix,
93 usblp, usblcd, and usb-skeleton (which doesn't count).  If a
94 non-supporting driver is bound to a device, the device won't be
95 autosuspended.  In effect, the kernel pretends the device is never
96 idle.
97
98 We can categorize power management events in two broad classes:
99 external and internal.  External events are those triggered by some
100 agent outside the USB stack: system suspend/resume (triggered by
101 userspace), manual dynamic resume (also triggered by userspace), and
102 remote wakeup (triggered by the device).  Internal events are those
103 triggered within the USB stack: autosuspend and autoresume.  Note that
104 all dynamic suspend events are internal; external agents are not
105 allowed to issue dynamic suspends.
106
107
108         The user interface for dynamic PM
109         ---------------------------------
110
111 The user interface for controlling dynamic PM is located in the power/
112 subdirectory of each USB device's sysfs directory, that is, in
113 /sys/bus/usb/devices/.../power/ where "..." is the device's ID.  The
114 relevant attribute files are: wakeup, control, and
115 autosuspend_delay_ms.  (There may also be a file named "level"; this
116 file was deprecated as of the 2.6.35 kernel and replaced by the
117 "control" file.  In 2.6.38 the "autosuspend" file will be deprecated
118 and replaced by the "autosuspend_delay_ms" file.  The only difference
119 is that the newer file expresses the delay in milliseconds whereas the
120 older file uses seconds.  Confusingly, both files are present in 2.6.37
121 but only "autosuspend" works.)
122
123         power/wakeup
124
125                 This file is empty if the device does not support
126                 remote wakeup.  Otherwise the file contains either the
127                 word "enabled" or the word "disabled", and you can
128                 write those words to the file.  The setting determines
129                 whether or not remote wakeup will be enabled when the
130                 device is next suspended.  (If the setting is changed
131                 while the device is suspended, the change won't take
132                 effect until the following suspend.)
133
134         power/control
135
136                 This file contains one of two words: "on" or "auto".
137                 You can write those words to the file to change the
138                 device's setting.
139
140                 "on" means that the device should be resumed and
141                 autosuspend is not allowed.  (Of course, system
142                 suspends are still allowed.)
143
144                 "auto" is the normal state in which the kernel is
145                 allowed to autosuspend and autoresume the device.
146
147                 (In kernels up to 2.6.32, you could also specify
148                 "suspend", meaning that the device should remain
149                 suspended and autoresume was not allowed.  This
150                 setting is no longer supported.)
151
152         power/autosuspend_delay_ms
153
154                 This file contains an integer value, which is the
155                 number of milliseconds the device should remain idle
156                 before the kernel will autosuspend it (the idle-delay
157                 time).  The default is 2000.  0 means to autosuspend
158                 as soon as the device becomes idle, and negative
159                 values mean never to autosuspend.  You can write a
160                 number to the file to change the autosuspend
161                 idle-delay time.
162
163 Writing "-1" to power/autosuspend_delay_ms and writing "on" to
164 power/control do essentially the same thing -- they both prevent the
165 device from being autosuspended.  Yes, this is a redundancy in the
166 API.
167
168 (In 2.6.21 writing "0" to power/autosuspend would prevent the device
169 from being autosuspended; the behavior was changed in 2.6.22.  The
170 power/autosuspend attribute did not exist prior to 2.6.21, and the
171 power/level attribute did not exist prior to 2.6.22.  power/control
172 was added in 2.6.34, and power/autosuspend_delay_ms was added in
173 2.6.37 but did not become functional until 2.6.38.)
174
175
176         Changing the default idle-delay time
177         ------------------------------------
178
179 The default autosuspend idle-delay time (in seconds) is controlled by
180 a module parameter in usbcore.  You can specify the value when usbcore
181 is loaded.  For example, to set it to 5 seconds instead of 2 you would
182 do:
183
184         modprobe usbcore autosuspend=5
185
186 Equivalently, you could add to a configuration file in /etc/modprobe.d
187 a line saying:
188
189         options usbcore autosuspend=5
190
191 Some distributions load the usbcore module very early during the boot
192 process, by means of a program or script running from an initramfs
193 image.  To alter the parameter value you would have to rebuild that
194 image.
195
196 If usbcore is compiled into the kernel rather than built as a loadable
197 module, you can add
198
199         usbcore.autosuspend=5
200
201 to the kernel's boot command line.
202
203 Finally, the parameter value can be changed while the system is
204 running.  If you do:
205
206         echo 5 >/sys/module/usbcore/parameters/autosuspend
207
208 then each new USB device will have its autosuspend idle-delay
209 initialized to 5.  (The idle-delay values for already existing devices
210 will not be affected.)
211
212 Setting the initial default idle-delay to -1 will prevent any
213 autosuspend of any USB device.  This has the benefit of allowing you
214 then to enable autosuspend for selected devices.
215
216
217         Warnings
218         --------
219
220 The USB specification states that all USB devices must support power
221 management.  Nevertheless, the sad fact is that many devices do not
222 support it very well.  You can suspend them all right, but when you
223 try to resume them they disconnect themselves from the USB bus or
224 they stop working entirely.  This seems to be especially prevalent
225 among printers and scanners, but plenty of other types of device have
226 the same deficiency.
227
228 For this reason, by default the kernel disables autosuspend (the
229 power/control attribute is initialized to "on") for all devices other
230 than hubs.  Hubs, at least, appear to be reasonably well-behaved in
231 this regard.
232
233 (In 2.6.21 and 2.6.22 this wasn't the case.  Autosuspend was enabled
234 by default for almost all USB devices.  A number of people experienced
235 problems as a result.)
236
237 This means that non-hub devices won't be autosuspended unless the user
238 or a program explicitly enables it.  As of this writing there aren't
239 any widespread programs which will do this; we hope that in the near
240 future device managers such as HAL will take on this added
241 responsibility.  In the meantime you can always carry out the
242 necessary operations by hand or add them to a udev script.  You can
243 also change the idle-delay time; 2 seconds is not the best choice for
244 every device.
245
246 If a driver knows that its device has proper suspend/resume support,
247 it can enable autosuspend all by itself.  For example, the video
248 driver for a laptop's webcam might do this (in recent kernels they
249 do), since these devices are rarely used and so should normally be
250 autosuspended.
251
252 Sometimes it turns out that even when a device does work okay with
253 autosuspend there are still problems.  For example, the usbhid driver,
254 which manages keyboards and mice, has autosuspend support.  Tests with
255 a number of keyboards show that typing on a suspended keyboard, while
256 causing the keyboard to do a remote wakeup all right, will nonetheless
257 frequently result in lost keystrokes.  Tests with mice show that some
258 of them will issue a remote-wakeup request in response to button
259 presses but not to motion, and some in response to neither.
260
261 The kernel will not prevent you from enabling autosuspend on devices
262 that can't handle it.  It is even possible in theory to damage a
263 device by suspending it at the wrong time.  (Highly unlikely, but
264 possible.)  Take care.
265
266
267         The driver interface for Power Management
268         -----------------------------------------
269
270 The requirements for a USB driver to support external power management
271 are pretty modest; the driver need only define
272
273         .suspend
274         .resume
275         .reset_resume
276
277 methods in its usb_driver structure, and the reset_resume method is
278 optional.  The methods' jobs are quite simple:
279
280         The suspend method is called to warn the driver that the
281         device is going to be suspended.  If the driver returns a
282         negative error code, the suspend will be aborted.  Normally
283         the driver will return 0, in which case it must cancel all
284         outstanding URBs (usb_kill_urb()) and not submit any more.
285
286         The resume method is called to tell the driver that the
287         device has been resumed and the driver can return to normal
288         operation.  URBs may once more be submitted.
289
290         The reset_resume method is called to tell the driver that
291         the device has been resumed and it also has been reset.
292         The driver should redo any necessary device initialization,
293         since the device has probably lost most or all of its state
294         (although the interfaces will be in the same altsettings as
295         before the suspend).
296
297 If the device is disconnected or powered down while it is suspended,
298 the disconnect method will be called instead of the resume or
299 reset_resume method.  This is also quite likely to happen when
300 waking up from hibernation, as many systems do not maintain suspend
301 current to the USB host controllers during hibernation.  (It's
302 possible to work around the hibernation-forces-disconnect problem by
303 using the USB Persist facility.)
304
305 The reset_resume method is used by the USB Persist facility (see
306 Documentation/usb/persist.txt) and it can also be used under certain
307 circumstances when CONFIG_USB_PERSIST is not enabled.  Currently, if a
308 device is reset during a resume and the driver does not have a
309 reset_resume method, the driver won't receive any notification about
310 the resume.  Later kernels will call the driver's disconnect method;
311 2.6.23 doesn't do this.
312
313 USB drivers are bound to interfaces, so their suspend and resume
314 methods get called when the interfaces are suspended or resumed.  In
315 principle one might want to suspend some interfaces on a device (i.e.,
316 force the drivers for those interface to stop all activity) without
317 suspending the other interfaces.  The USB core doesn't allow this; all
318 interfaces are suspended when the device itself is suspended and all
319 interfaces are resumed when the device is resumed.  It isn't possible
320 to suspend or resume some but not all of a device's interfaces.  The
321 closest you can come is to unbind the interfaces' drivers.
322
323
324         The driver interface for autosuspend and autoresume
325         ---------------------------------------------------
326
327 To support autosuspend and autoresume, a driver should implement all
328 three of the methods listed above.  In addition, a driver indicates
329 that it supports autosuspend by setting the .supports_autosuspend flag
330 in its usb_driver structure.  It is then responsible for informing the
331 USB core whenever one of its interfaces becomes busy or idle.  The
332 driver does so by calling these six functions:
333
334         int  usb_autopm_get_interface(struct usb_interface *intf);
335         void usb_autopm_put_interface(struct usb_interface *intf);
336         int  usb_autopm_get_interface_async(struct usb_interface *intf);
337         void usb_autopm_put_interface_async(struct usb_interface *intf);
338         void usb_autopm_get_interface_no_resume(struct usb_interface *intf);
339         void usb_autopm_put_interface_no_suspend(struct usb_interface *intf);
340
341 The functions work by maintaining a usage counter in the
342 usb_interface's embedded device structure.  When the counter is > 0
343 then the interface is deemed to be busy, and the kernel will not
344 autosuspend the interface's device.  When the usage counter is = 0
345 then the interface is considered to be idle, and the kernel may
346 autosuspend the device.
347
348 Drivers need not be concerned about balancing changes to the usage
349 counter; the USB core will undo any remaining "get"s when a driver
350 is unbound from its interface.  As a corollary, drivers must not call
351 any of the usb_autopm_* functions after their disconnect() routine has
352 returned.
353
354 Drivers using the async routines are responsible for their own
355 synchronization and mutual exclusion.
356
357         usb_autopm_get_interface() increments the usage counter and
358         does an autoresume if the device is suspended.  If the
359         autoresume fails, the counter is decremented back.
360
361         usb_autopm_put_interface() decrements the usage counter and
362         attempts an autosuspend if the new value is = 0.
363
364         usb_autopm_get_interface_async() and
365         usb_autopm_put_interface_async() do almost the same things as
366         their non-async counterparts.  The big difference is that they
367         use a workqueue to do the resume or suspend part of their
368         jobs.  As a result they can be called in an atomic context,
369         such as an URB's completion handler, but when they return the
370         device will generally not yet be in the desired state.
371
372         usb_autopm_get_interface_no_resume() and
373         usb_autopm_put_interface_no_suspend() merely increment or
374         decrement the usage counter; they do not attempt to carry out
375         an autoresume or an autosuspend.  Hence they can be called in
376         an atomic context.
377
378 The simplest usage pattern is that a driver calls
379 usb_autopm_get_interface() in its open routine and
380 usb_autopm_put_interface() in its close or release routine.  But other
381 patterns are possible.
382
383 The autosuspend attempts mentioned above will often fail for one
384 reason or another.  For example, the power/control attribute might be
385 set to "on", or another interface in the same device might not be
386 idle.  This is perfectly normal.  If the reason for failure was that
387 the device hasn't been idle for long enough, a timer is scheduled to
388 carry out the operation automatically when the autosuspend idle-delay
389 has expired.
390
391 Autoresume attempts also can fail, although failure would mean that
392 the device is no longer present or operating properly.  Unlike
393 autosuspend, there's no idle-delay for an autoresume.
394
395
396         Other parts of the driver interface
397         -----------------------------------
398
399 Drivers can enable autosuspend for their devices by calling
400
401         usb_enable_autosuspend(struct usb_device *udev);
402
403 in their probe() routine, if they know that the device is capable of
404 suspending and resuming correctly.  This is exactly equivalent to
405 writing "auto" to the device's power/control attribute.  Likewise,
406 drivers can disable autosuspend by calling
407
408         usb_disable_autosuspend(struct usb_device *udev);
409
410 This is exactly the same as writing "on" to the power/control attribute.
411
412 Sometimes a driver needs to make sure that remote wakeup is enabled
413 during autosuspend.  For example, there's not much point
414 autosuspending a keyboard if the user can't cause the keyboard to do a
415 remote wakeup by typing on it.  If the driver sets
416 intf->needs_remote_wakeup to 1, the kernel won't autosuspend the
417 device if remote wakeup isn't available.  (If the device is already
418 autosuspended, though, setting this flag won't cause the kernel to
419 autoresume it.  Normally a driver would set this flag in its probe
420 method, at which time the device is guaranteed not to be
421 autosuspended.)
422
423 If a driver does its I/O asynchronously in interrupt context, it
424 should call usb_autopm_get_interface_async() before starting output and
425 usb_autopm_put_interface_async() when the output queue drains.  When
426 it receives an input event, it should call
427
428         usb_mark_last_busy(struct usb_device *udev);
429
430 in the event handler.  This tells the PM core that the device was just
431 busy and therefore the next autosuspend idle-delay expiration should
432 be pushed back.  Many of the usb_autopm_* routines also make this call,
433 so drivers need to worry only when interrupt-driven input arrives.
434
435 Asynchronous operation is always subject to races.  For example, a
436 driver may call the usb_autopm_get_interface_async() routine at a time
437 when the core has just finished deciding the device has been idle for
438 long enough but not yet gotten around to calling the driver's suspend
439 method.  The suspend method must be responsible for synchronizing with
440 the I/O request routine and the URB completion handler; it should
441 cause autosuspends to fail with -EBUSY if the driver needs to use the
442 device.
443
444 External suspend calls should never be allowed to fail in this way,
445 only autosuspend calls.  The driver can tell them apart by applying
446 the PMSG_IS_AUTO() macro to the message argument to the suspend
447 method; it will return True for internal PM events (autosuspend) and
448 False for external PM events.
449
450
451         Mutual exclusion
452         ----------------
453
454 For external events -- but not necessarily for autosuspend or
455 autoresume -- the device semaphore (udev->dev.sem) will be held when a
456 suspend or resume method is called.  This implies that external
457 suspend/resume events are mutually exclusive with calls to probe,
458 disconnect, pre_reset, and post_reset; the USB core guarantees that
459 this is true of autosuspend/autoresume events as well.
460
461 If a driver wants to block all suspend/resume calls during some
462 critical section, the best way is to lock the device and call
463 usb_autopm_get_interface() (and do the reverse at the end of the
464 critical section).  Holding the device semaphore will block all
465 external PM calls, and the usb_autopm_get_interface() will prevent any
466 internal PM calls, even if it fails.  (Exercise: Why?)
467
468
469         Interaction between dynamic PM and system PM
470         --------------------------------------------
471
472 Dynamic power management and system power management can interact in
473 a couple of ways.
474
475 Firstly, a device may already be autosuspended when a system suspend
476 occurs.  Since system suspends are supposed to be as transparent as
477 possible, the device should remain suspended following the system
478 resume.  But this theory may not work out well in practice; over time
479 the kernel's behavior in this regard has changed.  As of 2.6.37 the
480 policy is to resume all devices during a system resume and let them
481 handle their own runtime suspends afterward.
482
483 Secondly, a dynamic power-management event may occur as a system
484 suspend is underway.  The window for this is short, since system
485 suspends don't take long (a few seconds usually), but it can happen.
486 For example, a suspended device may send a remote-wakeup signal while
487 the system is suspending.  The remote wakeup may succeed, which would
488 cause the system suspend to abort.  If the remote wakeup doesn't
489 succeed, it may still remain active and thus cause the system to
490 resume as soon as the system suspend is complete.  Or the remote
491 wakeup may fail and get lost.  Which outcome occurs depends on timing
492 and on the hardware and firmware design.
493
494
495         xHCI hardware link PM
496         ---------------------
497
498 xHCI host controller provides hardware link power management to usb2.0
499 (xHCI 1.0 feature) and usb3.0 devices which support link PM. By
500 enabling hardware LPM, the host can automatically put the device into
501 lower power state(L1 for usb2.0 devices, or U1/U2 for usb3.0 devices),
502 which state device can enter and resume very quickly.
503
504 The user interface for controlling USB2 hardware LPM is located in the
505 power/ subdirectory of each USB device's sysfs directory, that is, in
506 /sys/bus/usb/devices/.../power/ where "..." is the device's ID. The
507 relevant attribute files is usb2_hardware_lpm.
508
509         power/usb2_hardware_lpm
510
511                 When a USB2 device which support LPM is plugged to a
512                 xHCI host root hub which support software LPM, the
513                 host will run a software LPM test for it; if the device
514                 enters L1 state and resume successfully and the host
515                 supports USB2 hardware LPM, this file will show up and
516                 driver will enable hardware LPM for the device. You
517                 can write y/Y/1 or n/N/0 to the file to enable/disable
518                 USB2 hardware LPM manually. This is for test purpose mainly.