Arm64体系架构-MPIDR_EL1寄存器

背景

        在Arm64多核处理器中, 各核间的关系可能不同. 比如1个16 core的cpu, 每4个core划分为1个cluster,共享L2 cache. 当我们需要从core 0将任务调度出来时,如果优先选择core 1~3, 那么性能明显时优于其他core的.

       那么操作系统怎么知道core之间这样的拓扑信息呢? Arm提供了MPIDR_EL1 寄存器. 每个core都有一个该寄存器。

字段说明

a.该寄存器为只读寄存器

b.AFF3 & AFF2 都为ClusterID（从软件角度理解为不同CPU组的ID），AFF1 为CPUID，           AFF0 为多线程核的线程ID（指的是是否支持超线程的id)

MPIDR_EL1

U, bit [30]

0表示多核处理， 1表示单核处理

MT, bit [24]

0表示没有使用单核超线程， 1表示使用了单核超线程。

其他的affinity，则表示了各核之间的亲和性。以一个8核2 cluster 非超线程cpu为例， core0的mpidr_el1的affinity为（0，0，0，0），core1为（0，0，0，1）,以次类推， core7则为（0，0，1，3）。Arm规范要求了每个core的（Aff3，Aff2,Aff1,Aff0）编码必须唯一。不支持超线程的cpu, Aff0表示核id

这样通过树形结构的编码，OS可以从该寄存器中获取各core之间的关系。

Kernel应用

// kernel表示每个core的拓扑结构，每个core对应一个该结构
struct cpu_topology {
	int thread_id;
	int core_id;
	int package_id;
	int llc_id;
	cpumask_t thread_sibling;
	cpumask_t core_sibling;
	cpumask_t llc_sibling;
};

void store_cpu_topology(unsigned int cpuid)
{
	struct cpu_topology *cpuid_topo = &cpu_topology[cpuid];
        // 读取MPIDR_EL1
	u64 mpidr = read_cpuid_mpidr();

	/* Create cpu topology mapping based on MPIDR. */
        // 判断芯片是否支持超线程
	if (mpidr & MPIDR_MT_BITMASK) {
		/* Multiprocessor system : Multi-threads per core */
                // 在支持超线程的cpu， Aff0表示一个core内的超线程id
		cpuid_topo->thread_id  = MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 0);
		cpuid_topo->core_id    = MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 1);
                // package_id即cluster id
		cpuid_topo->package_id = MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 2) |
					 MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 3) << 8;
	} else {
		/* Multiprocessor system : Single-thread per core */
		cpuid_topo->thread_id  = -1;
                // 不支持超线程的cpu, Aff0表示核id
		cpuid_topo->core_id    = MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 0);
		cpuid_topo->package_id = MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 1) |
					 MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 2) << 8 |
					 MPIDR_AFFINITY_LEVEL(mpidr, 3) << 16;
	}

        ... ...
}

MPIDR_EL1在devicetree中的体现
        配置DTS时，需要设置MPIDR_EL1的值到CPU node中的reg property，以ArmV8 64bit系统为例：当#address-cell property为2时，需要设置MPIDR_EL1[39:32]到reg[7:0]、MPIDR_EL1[23:0]到reg[23:0]; 当#address-cell property为1时，需要设置MPIDR_EL1[23:0]到reg[23:0]；reg的其他位设置位0。

Linux启动过程中MPIDR_EL1的相关逻辑
        a.内核中定义了cpu的逻辑映射变量如下，该变量保存MPIDR_EL1寄存器中亲和值。

        /* * Logical CPU mapping. */
        extern u64 __cpu_logical_map[NR_CPUS];
        #define cpu_logical_map(cpu)    __cpu_logical_map[cpu]
        b.cpu0（boot cpu/primary cpu）获取mpidr_el1亲和值的方式与其他cpu（secondary cpu）

        获取方式有所不同。

    void __init smp_setup_processor_id(void)
      {
                /*启动该过程时只有boot cpu即cpu0在执行，其他cpu还未启动
                通过read_cpuid_mpidr获取的MPIDR_EL1值即为当前执行的CPU0
                的亲和值*/
                u64 mpidr = read_cpuid_mpidr() & MPIDR_HWID_BITMASK;
 
                /*将获取到的cpu0的亲和值保存在cpu_logical_map(0)*/
                cpu_logical_map(0) = mpidr;
 
                /*
                 * clear __my_cpu_offset on boot CPU to avoid hang caused by
                 * using percpu variable early, for example, lockdep will
                 * access percpu variable inside lock_release
                 */
                set_my_cpu_offset(0);
                pr_info("Booting Linux on physical CPU 0x%lx\n", (unsigned long)mpidr);
        }