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Intel 性能监视器

2013年2月23日 发表评论 阅读评论 9,078 次浏览

全文来自Intel开发者手册:Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3B System Programming Guide.pdf

注意:下文中已经指出手册中的对应页面和章节,请对照手册原文看,任何个人理解错误,请包涵。

一,以下内容来自(P279):30.1 PERFORMANCE MONITORING OVERVIEW

从Pentium奔腾处理器开始,Intel引入了一组计数寄存器用于做系统性能监视(System Performance monitoring)。针对不同型号的CPU处理器,它们各自拥有的性能计数寄存器是不同的,因此,相对ISA标准的普通寄存器而言,这些寄存器被称之为属于PMU中的MSR寄存器。

注解:
PMU:Performance Monitoring Unit,性能监视单元
MSR:Model-Specific Register

性能计数器允许用户对选定的处理器参数进行监视和统计,根据这些统计值进行系统调优。从Intel P6开始,性能监视机制得到了进一步的改进和增强,允许用户选择更广泛的事件进行监控。在奔腾4以及至强处理器,又引入了新的性能监视机制和一组新的性能监视事件。

从Intel Core Solo and Intel Core Duo处理器开始,性能监视事件被分为两类:
1,non-architectural performance events(后文简称为特定架构事件、特定架构监视事件)
model-specific,即不同型号的处理器各自所拥有的不同事件。

2,architectural performance events(后文简称为架构兼容事件、架构兼容监视事件)
compatible among processor families,即在不同型号的处理器之间是兼容的事件。因为要提供各个型号处理器之间的兼容,因此这一类事件比较少。

二,以下内容来自(P280):30.2 ARCHITECTURAL PERFORMANCE MONITORING

如果性能监视事件在不同微架构上的性能保存一致,那么它就是架构兼容事件。架构兼容事件可以在处理器发展过程中逐步增强,也就是可以认为架构兼容事件具有版本更新的概念,即在新型号的处理器上,提供的架构兼容事件可能要比旧型号的处理器要多,同一个架构兼容事件的功能可能也要更强大。通过CPUID.0AH可以获取到当前处理器支持的架构兼容事件版本ID。

三,以下内容来自(P281):30.2.1 Architectural Performance Monitoring Version 1

通过两组寄存器来实现对架构兼容事件的使用,一组为事件选择寄存器(IA32_PERFEVTSELx),一组为计数寄存器(IA32_PMCx),这两组寄存器是一一对应的,另外,它们的个数也非常有限。

为了保证这两组寄存器在各个架构之间兼容,它们有如下一些约定:
1,在各个微架构之间,IA32_PERFEVTSELx的bit位布局是一致的。
2,在各个微架构之间,IA32_PERFEVTSELx的地址是不变的。
3,在各个微架构之间,IA32_PMCx的地址是不变的。
4,每一个逻辑处理器拥有它自己的IA32_PERFEVTSELx和IA32_PMCx。也就是说,如果某一个处理器核上有两个逻辑处理器,那么这两个逻辑处理器拥有它各自的IA32_PERFEVTSELx和IA32_PMCx。

四,以下内容来自(P282):30.2.1.1 Architectural Performance Monitoring Version 1 Facilities

每一个逻辑处理器拥有的MSR寄存器IA32_PERFEVTSELx和IA32_PMCx对数可以通过CPUID.0AH:EAX[15:8]获取。这些MSR寄存器有如下一些特点:
1,IA32_PMCx寄存器的起始地址为0C1H,并且占据一块连续的MSR地址空间。
对应到linux-3.7内核代码为

#define MSR_ARCH_PERFMON_PERFCTR0			      0xc1

2,IA32_PERFEVTSELx寄存器的起始地址为186H,并且占据一块连续的MSR地址空间。从该地址开始的每一个IA32_PERFEVTSELx寄存器与从0C1H开始的IA32_PMCx寄存器一一对应。
对应到linux-3.7内核代码为

#define MSR_ARCH_PERFMON_EVENTSEL0			     0x186

3,通过CPUID.0AH:EAX[23:16]可获取IA32_PMCx寄存器的bit位宽。

4,在各个微架构之间,IA32_PERFEVTSELx的bit位布局是一致的。

IA32_PERFEVTSELx寄存器的bit位布局如下:
0-7:Event select field,事件选择字段
8-15:Unit mask (UMASK) field,事件检测掩码字段
16:USR (user mode) flag,设置仅对用户模式(privilege levels 1, 2 or 3)进行计数,可以和OS flag一起使用。
17:OS (operating system mode) flag,设置仅对内核模式(privilege levels 0)进行计数,可以和USR flag一起使用。
18:E (edge detect) flag
19:PC (pin control) flag,如果设置为1,那么当性能监视事件发生时,逻辑处理器就会增加一个计数并且“toggles the PMi pins”;如果清零,那么当性能计数溢出时,处理器就会“toggles the PMi pins”。“toggles the PMi pins”不好翻译,其具体定义为:“The toggling of a pin is defined as assertion of the pin for a single bus clock followed by deassertion.”,对于此处,我的理解也就是把PMi针脚激活一下,从而触发一个PMI中断。
20:INT (APIC interrupt enable) flag,如果设置为1,当性能计数溢出时,就会通过local APIC来触发逻辑处理器产生一个异常。
21:保留
22:EN (Enable Counters) Flag,如果设置为1,性能计数器生效,否则被禁用。
23:INV (invert) flag,控制是否对Counter mask结果进行反转。
24-31:Counter mask (CMASK) field,如果该字段不为0,那么只有在单个时钟周期内发生的事件数大于等于该值时,对应的计数器才自增1。这就可以用于统计每个时钟周期内发生多次的事件。如果该字段为0,那么计数器就以每时钟周期按具体发生的事件数进行增长。
32-63:保留

对应到linux-3.7内核代码的相关为:

#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_EVENT			0x000000FFULL
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_UMASK			0x0000FF00ULL
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_USR			(1ULL << 16)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_OS			(1ULL << 17)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_EDGE			(1ULL << 18)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_PIN_CONTROL		(1ULL << 19)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_INT			(1ULL << 20)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_ANY			(1ULL << 21)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_ENABLE			(1ULL << 22)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_INV			(1ULL << 23)
#define ARCH_PERFMON_EVENTSEL_CMASK			0xFF000000ULL

五,以下内容来自(P284):30.2.2 Additional Architectural Performance Monitoring Extensions

第二个版本的架构兼容监视机制包含如下增强特性:
1,提供有三个固定功能的性能计数器,IA32_FIXED_CTR0、IA32_FIXED_CTR1和IA32_FIXED_CTR2,每一个固定功能性能计数器一次只能统计一个事件。通过写位于地址38DH的IA32_FIXED_CTR_CTRL寄存器bit位来配置这些固定功能性能计数器,而不再是像通用IA32_PMCx性能计数器那样,通过对应IA32_PERFEVTSELx寄存器来配置。
对应到linux-3.7内核代码的相关为:

/*
 * All 3 fixed-mode PMCs are configured via this single MSR:
 */
#define MSR_ARCH_PERFMON_FIXED_CTR_CTRL	0x38d

/*
 * The counts are available in three separate MSRs:
 */

/* Instr_Retired.Any: */
#define MSR_ARCH_PERFMON_FIXED_CTR0	0x309
#define INTEL_PMC_IDX_FIXED_INSTRUCTIONS	(INTEL_PMC_IDX_FIXED + 0)

/* CPU_CLK_Unhalted.Core: */
#define MSR_ARCH_PERFMON_FIXED_CTR1	0x30a
#define INTEL_PMC_IDX_FIXED_CPU_CYCLES	(INTEL_PMC_IDX_FIXED + 1)

/* CPU_CLK_Unhalted.Ref: */
#define MSR_ARCH_PERFMON_FIXED_CTR2	0x30b
#define INTEL_PMC_IDX_FIXED_REF_CYCLES	(INTEL_PMC_IDX_FIXED + 2)
#define INTEL_PMC_MSK_FIXED_REF_CYCLES	(1ULL << INTEL_PMC_IDX_FIXED_REF_CYCLES)

/*
 * We model BTS tracing as another fixed-mode PMC.
 *
 * We choose a value in the middle of the fixed event range, since lower
 * values are used by actual fixed events and higher values are used
 * to indicate other overflow conditions in the PERF_GLOBAL_STATUS msr.
 */
#define INTEL_PMC_IDX_FIXED_BTS				(INTEL_PMC_IDX_FIXED + 16)

2,简化的事件编程,一般的编程操作也就是启用事件计数、禁用事件计数、检测计数溢出,因此提供有三个专门的架构兼容MSR寄存器:
IA32_PERF_GLOBAL_CTRL:允许软件通过一条WRMSR指令实现对所有或任何组合的IA32_FIXED_CTRx或任意IA32_PMCx进行启用或禁用事件计数的操作。
IA32_PERF_GLOBAL_STATUS:允许软件通过一条RDMSR指令实现对任何组合的IA32_FIXED_CTRx或任意IA32_PMCx的溢出状态的查询操作。
IA32_PERF_GLOBAL_OVF_CTRL:允许软件通过一条WRMSR指令实现对任何组合的IA32_FIXED_CTRx或任意IA32_PMCx的溢出状态的清除操作。

对应到linux-3.7内核代码的相关为:

/* Intel Core-based CPU performance counters */
#define MSR_CORE_PERF_FIXED_CTR0	0x00000309
#define MSR_CORE_PERF_FIXED_CTR1	0x0000030a
#define MSR_CORE_PERF_FIXED_CTR2	0x0000030b
#define MSR_CORE_PERF_FIXED_CTR_CTRL	0x0000038d
#define MSR_CORE_PERF_GLOBAL_STATUS	0x0000038e
#define MSR_CORE_PERF_GLOBAL_CTRL	0x0000038f
#define MSR_CORE_PERF_GLOBAL_OVF_CTRL	0x00000390

参考:
http://blog.csdn.net/gengshenghong/article/details/7383438
http://blog.csdn.net/gengshenghong/article/details/7384862

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