ARM PMU 用途不僅僅是性能

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ARM Performance Monitor Unit (PMU) 是一種硬件組件，用于跟蹤和計(jì)數(shù)系統(tǒng)中的底層硬件事件。

集成在ARM架構(gòu)的處理器中，可以用于監(jiān)控和度量處理器及系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于性能分析、調(diào)試、能耗管理和優(yōu)化軟件性能至關(guān)重要。

正文

用途說明：

性能分析：通過監(jiān)測與CPU相關(guān)的事件（如執(zhí)行指令數(shù)、捕獲異常數(shù)、時(shí)鐘周期數(shù)等），與cache相關(guān)的事件（如cache訪問次數(shù)、miss次數(shù)等），以及與TLB（Translation Lookaside Buffer）有關(guān)的事件，PMU 可以幫助了解程序的執(zhí)行行為，進(jìn)而對(duì)程序進(jìn)行性能分析和調(diào)優(yōu)。通過測量執(zhí)行時(shí)間、指令周期數(shù)、緩存命中率等，幫助識(shí)別程序的性能瓶頸。

系統(tǒng)調(diào)試：通過跟蹤特定事件的發(fā)生，如中斷延遲、上下文切換頻率，輔助系統(tǒng)級(jí)別的調(diào)試。

能耗管理：監(jiān)控處理器活動(dòng)，協(xié)助實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)整(DVFS)，降低能耗。

軟件優(yōu)化：提供數(shù)據(jù)支持，幫助我們針對(duì)特定硬件特性優(yōu)化代碼，提升運(yùn)行效率。

功能組件：

事件計(jì)數(shù)器：PMU 包含一組事件計(jì)數(shù)器，分為兩類，一類是cycle counter，用于計(jì)數(shù)CYCLES事件；另一類是performance counter，用于計(jì)數(shù)其他類型的事件。在ARMv8架構(gòu)中，例如Cortex-A53，有1個(gè)cycle counter和6個(gè)performance counters。

控制寄存器：PMU 包含用于控制計(jì)數(shù)器的寄存器，可以通過編程配置計(jì)數(shù)的事件類型、中斷使能/屏蔽等。

寄存器訪問：PMU 寄存器可以通過特定的系統(tǒng)控制指令訪問，如在ARM架構(gòu)中，可以通過CP15協(xié)處理器或外部APB接口來編程。

中斷和溢出：當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，可以產(chǎn)生overflow中斷，PMU硬件會(huì)根據(jù)控制寄存器內(nèi)設(shè)置的中斷屏蔽位判斷是否將該中斷發(fā)送給CPU處理。

使用場景

場景1：假設(shè)我們要分析一段代碼的性能，特別是想了解cache的miss次數(shù)，可以按照以下步驟使用PMU：

確定監(jiān)控事件：根據(jù)ARM架構(gòu)的文檔，找到代表cache miss的事件編碼。

配置PMU：通過編程設(shè)置PMU的控制寄存器，選擇相應(yīng)的事件計(jì)數(shù)器，并將其配置為監(jiān)控cache miss事件。

啟動(dòng)計(jì)數(shù)：使能PMU硬件和選定的計(jì)數(shù)器。

運(yùn)行代碼：執(zhí)行需要分析的代碼段。

讀取計(jì)數(shù)器：代碼執(zhí)行完成后，讀取事件計(jì)數(shù)器的值，這個(gè)值就是cache miss的次數(shù)。

分析結(jié)果：根據(jù)計(jì)數(shù)器的值，分析代碼的性能，找出可能的性能瓶頸。

調(diào)優(yōu)代碼：根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)優(yōu)，比如增加數(shù)據(jù)的局部性，減少cache miss。

場景2：假設(shè)發(fā)現(xiàn)有某一款特定應(yīng)用在某款基于ARM Cortex-A系列處理器的手機(jī)上運(yùn)行緩慢，想要找出性能瓶頸所在。

確定監(jiān)控事件：首先，需要確定哪些性能指標(biāo)可能是瓶頸的來源，例如CPU利用率過高、緩存未命中頻繁等。因此，他可能會(huì)選擇監(jiān)控“指令周期數(shù)”、“L1緩存未命中次數(shù)”和“CPU周期空閑比例”等事件。

配置PMU：編寫代碼，使用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)調(diào)用來配置PMU。例如，在Linux環(huán)境下，可能使用perf_event_open系統(tǒng)調(diào)用或perf命令行工具，指定要監(jiān)控的事件和計(jì)數(shù)器。

數(shù)據(jù)收集：應(yīng)用在目標(biāo)設(shè)備上運(yùn)行時(shí)，PMU自動(dòng)累積選定事件的計(jì)數(shù)。開發(fā)者可以在應(yīng)用運(yùn)行一段時(shí)間后，讀取計(jì)數(shù)器的值，或者使用perf record記錄整個(gè)運(yùn)行過程，之后通過perf report分析數(shù)據(jù)。

分析與優(yōu)化：分析結(jié)果顯示，L1緩存未命中率極高，表明應(yīng)用頻繁訪問的數(shù)據(jù)未有效利用緩存。開發(fā)者據(jù)此優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問模式，比如通過數(shù)據(jù)局部性改善來減少緩存未命中，或者調(diào)整算法減少不必要的運(yùn)算。

驗(yàn)證改進(jìn)：優(yōu)化后，再次使用PMU監(jiān)控同樣的性能指標(biāo)，驗(yàn)證優(yōu)化措施的效果。如果緩存未命中率顯著下降，且整體應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間縮短，則證明優(yōu)化成功。

下期見~