【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数

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在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作,目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕:
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解(云计算,边缘计算,端计算)
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

文章目录

  • 如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数
  • 一、使用ARMv8提供的独立定时器CNTVCT_EL0
  • 二、使用ARMv8的PMU计数器PMCCNTR_EL0
    • 2.1 关键寄存器介绍
      • PMCCNTR_EL0(Performance Monitors Cycle Count Register)
      • PMCR_EL0(Performance Monitors Control Register)
      • PMUSERENR_EL0(Performance Monitors User Enable Register)
      • PMCNTENCLR_EL0(Performance Monitors Count Enable Clear register)
    • 2.2 内核使能代码
    • 2.3 用户态代码
    • 2.4 测试时遇到的问题



如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数


【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数_第1张图片

一、使用ARMv8提供的独立定时器CNTVCT_EL0

       System counter是Arm64下独立于CPU core的计数器,在系统上电时,会给此计数器设置固定的频率。一个映射System counter计数器内容的寄存器为CNTVCT_EL0,可在用户态下读取此寄存器获取counter值。而CNTFRQ_EL0保存的是counter的频率值(详细内容参考《【ARMv8】通用定时器总结》)。通过下面的函数实现获取counter值及频率值:

static inline uint64_t 
arm64_cntvct(void) 
{   
	uint64_t tsc;   
    asm volatile("mrs %0, cntvct_el0" : "=r" (tsc));   
    return tsc; 
} 

static inline uint64_t 
arm64_cntfrq(void)
{   
	uint64_t freq;   
	asm volatile("mrs %0, cntfrq_el0" : "=r" (freq));   
    return freq; 
} 

static inline uint64_t 
rdtsc(void) 
{
	return arm64_cntvct();
}

但是System counter的精度从Armv8.0到Armv8.5,范围通常在1-50MHz;从Armv8.6开始,以1GHz的固定频率递增。虽然1GHz的频率已经足够高了,但是还是达不到CPU cycle级别的精度


二、使用ARMv8的PMU计数器PMCCNTR_EL0

       在ARMv8中,有Performance Monitors Control Register系列寄存器,其中PMCCNTR_EL0就类似于x86的TSC寄存器。但是如果想在用户态访问这些寄存器,需要在内核代码中开启PMU用户态访问开关。

2.1 关键寄存器介绍

PMCCNTR_EL0(Performance Monitors Cycle Count Register)

保存了处理器周期计数器的值,其结构如下:
【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数_第2张图片

PMCR_EL0(Performance Monitors Control Register)

PMU配置寄存器,其结果如下:

【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数_第3张图片
其中和我们关系密切的几个参数含义:

  • LC:设置为1,表示开启64bit的周期计数器;否则,使用32bit的计数器(32bit的已经摒弃);
  • D:设置为1,表示每64个时钟周期,计时器累加一次(已经摒弃);否则,每个时钟周期计数器累加一次;
  • C:设置为1,表示重置计数器;
  • E:设置为1,表示开启计数器PMCCNTR_EL0;

PMUSERENR_EL0(Performance Monitors User Enable Register)

用于开启或关闭用户态下是否可以访问PMU寄存器,相关结构如下:

【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数_第4张图片
其中和我们关系密切的几个参数含义:

  • ER:设置为1,表示用户态下可以读写PMU寄存器;否则不可以读写;
  • EN:设置为1,表示用户态软件可以访问所有PMU特定的寄存器;

PMCNTENCLR_EL0(Performance Monitors Count Enable Clear register)

设置启用的计数器和事件计数器,相关结构如下:

【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数_第5张图片
其中和我们关系密切的几个参数含义:

  • C:设置为1,表示启用PMCCNTR_EL0计数器;

2.2 内核使能代码

/*                                                                             
 * Enable user-mode ARM performance counter access.                            
 */                                                                           
#include                                                       
#include                                                       
#include                                                          
                                                                                                                                                       
#define ARMV8_PMCR_MASK         0x3f                                                                    
#define ARMV8_PMCR_E            (1 << 0) /* Enable all counters */                                      
#define ARMV8_PMCR_P            (1 << 1) /* Reset all counters */                                       
#define ARMV8_PMCR_C            (1 << 2) /* Cycle counter reset */                                      
#define ARMV8_PMCR_D            (1 << 3) /* CCNT counts every 64th cpu cycle */                         
#define ARMV8_PMCR_X            (1 << 4) /* Export to ETM */                                            
#define ARMV8_PMCR_DP           (1 << 5) /* Disable CCNT if non-invasive debug*/                        
#define ARMV8_PMCR_LC           (1 << 6) /* Cycle Counter 64bit overflow*/
#define ARMV8_PMCR_N_SHIFT      11       /* Number of counters supported */                             
#define ARMV8_PMCR_N_MASK       0x1f                                                                    
                                                                                                         
#define ARMV8_PMUSERENR_EN_EL0  (1 << 0) /* EL0 access enable */                                        
#define ARMV8_PMUSERENR_CR      (1 << 2) /* Cycle counter read enable */                                
#define ARMV8_PMUSERENR_ER      (1 << 3) /* Event counter read enable */                                
                                                                                                         
static inline u32 armv8pmu_pmcr_read(void)                                                              
{                                                                                                       
        u64 val=0;                                                                                      
        asm volatile("mrs %0, pmcr_el0" : "=r" (val));                                                  
        return (u32)val;                                                                                
}                                                                                                       
static inline void armv8pmu_pmcr_write(u32 val)                                                         
{                                                                                                       
        val &= ARMV8_PMCR_MASK;                                                                         
        isb();                                                                                          
        asm volatile("msr pmcr_el0, %0" : : "r" ((u64)val));                                            
}       
                                                                                                         
static void                                                                                            
enable_cpu_counters(void* data)                                                                         
{                                                                                                       
    u32 val=0;                                                         
    asm volatile("msr pmuserenr_el0, %0" : : "r"(0xf));                                                   
    asm volatile("msr PMCNTENSET_EL0, %0" :: "r" ((u32)(1<<31)));
    armv8pmu_pmcr_write(armv8pmu_pmcr_read() | ARMV8_PMCR_E|ARMV8_PMCR_LC);   
    printk("\nCPU:%d ", smp_processor_id());
}                                                                                                       
                                                                                                         
static void                                                                                            
disable_cpu_counters(void* data)                                                                        
{                                                                                                                                                                                                   
    printk(KERN_INFO "\ndisabling user-mode PMU access on CPU #%d",                       
    smp_processor_id());                                                                                   
                                                                                                         
    /* Program PMU and disable all counters */                                                            
    armv8pmu_pmcr_write(armv8pmu_pmcr_read() |~ARMV8_PMCR_E);                                              
    asm volatile("msr pmuserenr_el0, %0" : : "r"((u64)0));                                                                                                                                                
}                                                                                                       
                                                                                                         
static int __init                                                                                       
init(void)                                                                                              
{                                                                       
	isb();
	on_each_cpu(enable_cpu_counters, NULL, 1);                                                             
    printk(KERN_INFO "Enable Access PMU Initialized");                                                       
    return 0;                                                                                              
}                                                                                                       
                                                                                                         
static void __exit                                                                                      
fini(void)                                                                                              
{                                                                                                       
    on_each_cpu(disable_cpu_counters, NULL, 1);                                                            
    printk(KERN_INFO "Access PMU Disabled");                                                          
}                                                                                                       
                                                                                                         
module_init(init);                                                                                      
module_exit(fini);
module_license("GPL");

2.3 用户态代码

#include 

#define u64 unsigned long long
#define isb()       asm volatile("isb" : : : "memory")
 
static inline u64 arch_counter_get_cntpct(void)
{
    u64 cval;
    isb();
    asm volatile("mrs %0, PMCCNTR_EL0" : "+r"(cval));
    return cval;
}

2.4 测试时遇到的问题

可能有同学会用下面的代码测试定时精度,

int main()
{
	u64 begin,end;
	
	begin = arch_counter_get_cntpct();
	sleep(1);
	end= arch_counter_get_cntpct();
	
	printf("The count is %llu.\n",end-begin);

	return 0;
}

但是会发现使用统计的计数值与CPU当前的始终频率计算后,时间不是1s。这是因为Linux的省电功能导致的,sleep会使当前进程让出CPU,如果此时CPU任务队列中没有任务,就会进入低功耗(例如,WFI)甚至offline,如果进入上述状态PMU计数器就会停止计数,导致计数值不准确。

毕竟PMU是为调式使用的,如果此时CPU没有任务,也确实没有必要继续统计了。所以使用PMU寄存器计数是,不应该有主动让出CPU的行为,可能会导致计数不准确。

可以尝试关闭省电模式:

echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu<X>/cpuidle/state<Y>/disable


在这里插入图片描述

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