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.. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst
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:Original: Documentation/riscv/pmu.rst
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:翻译:
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司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>
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.. _cn_riscv_pmu:
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RISC-V平台上对PMUs的支持
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Alan Kao <alankao@andestech.com>, Mar 2018
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简介
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截止本文撰写时，在The RISC-V ISA Privileged Version 1.10中提到的 perf_event
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相关特性如下:
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（详情请查阅手册）
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* [m|s]counteren
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* mcycle[h], cycle[h]
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* minstret[h], instret[h]
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* mhpeventx, mhpcounterx[h]
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仅有以上这些功能，移植perf需要做很多工作，究其原因是缺少以下通用架构的性能
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监测特性:
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* 启用/停用计数器
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在我们这里，计数器一直在自由运行。
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* 计数器溢出引起的中断
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规范中没有这种功能。
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* 中断指示器
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不可能所有的计数器都有很多的中断端口，所以需要一个中断指示器让软件来判断
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哪个计数器刚好溢出。
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* 写入计数器
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由于内核不能修改计数器，所以会有一个SBI来支持这个功能[1]。 另外，一些厂商
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考虑实现M-S-U型号机器的硬件扩展来直接写入计数器。
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这篇文档旨在为开发者提供一个在内核中支持PMU的简要指南。下面的章节简要解释了
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perf' 机制和待办事项。
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你可以在这里查看以前的讨论[1][2]。 另外，查看附录中的相关内核结构体可能会有
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帮助。
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1. 初始化
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*riscv_pmu* 是一个类型为 *struct riscv_pmu* 的全局指针，它包含了根据perf内部
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约定的各种方法和PMU-specific参数。人们应该声明这样的实例来代表PMU。 默认情况
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下， *riscv_pmu* 指向一个常量结构体 *riscv_base_pmu* ，它对基准QEMU模型有非常
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基础的支持。
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然后他/她可以将实例的指针分配给 *riscv_pmu* ，这样就可以利用已经实现的最小逻
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辑，或者创建他/她自己的 *riscv_init_platform_pmu* 实现。
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换句话说，现有的 *riscv_base_pmu* 源只是提供了一个参考实现。 开发者可以灵活地
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决定多少部分可用，在最极端的情况下，他们可以根据自己的需要定制每一个函数。
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2. Event Initialization
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当用户启动perf命令来监控一些事件时，首先会被用户空间的perf工具解释为多个
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*perf_event_open* 系统调用，然后进一步调用上一步分配的 *event_init* 成员函数
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的主体。 在 *riscv_base_pmu* 的情况下，就是 *riscv_event_init* 。
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该功能的主要目的是将用户提供的事件翻译成映射图，从而可以直接对HW-related的控
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制寄存器或计数器进行操作。该翻译基于 *riscv_pmu* 中提供的映射和方法。
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注意，有些功能也可以在这个阶段完成:
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(1) 中断设置，这个在下一节说；
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(2) 特限级设置(仅用户空间、仅内核空间、两者都有)；
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(3) 析构函数设置。 通常应用 *riscv_destroy_event* 即可；
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(4) 对非采样事件的调整，这将被函数应用，如 *perf_adjust_period* ，通常如下::
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if (!is_sampling_event(event)) {
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hwc->sample_period = x86_pmu.max_period;
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hwc->last_period = hwc->sample_period;
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local64_set(&hwc->period_left, hwc->sample_period);
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}
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在 *riscv_base_pmu* 的情况下，目前只提供了（3）。
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3. 中断
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3.1. 中断初始化
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这种情况经常出现在 *event_init* 方案的开头。通常情况下，这应该是一个代码段，如::
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int x86_reserve_hardware(void)
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{
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int err = 0;
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if (!atomic_inc_not_zero(&pmc_refcount)) {
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mutex_lock(&pmc_reserve_mutex);
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if (atomic_read(&pmc_refcount) == 0) {
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if (!reserve_pmc_hardware())
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err = -EBUSY;
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else
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reserve_ds_buffers();
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}
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if (!err)
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atomic_inc(&pmc_refcount);
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mutex_unlock(&pmc_reserve_mutex);
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}
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return err;
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}
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而神奇的是 *reserve_pmc_hardware* ，它通常做原子操作，使实现的IRQ可以从某个全局函
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数指针访问。 而 *release_pmc_hardware* 的作用正好相反，它用在上一节提到的事件分配
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器中。
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(注：从所有架构的实现来看，*reserve/release* 对总是IRQ设置，所以 *pmc_hardware*
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似乎有些误导。 它并不处理事件和物理计数器之间的绑定，这一点将在下一节介绍。)
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3.2. IRQ结构体
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基本上，一个IRQ运行以下伪代码::
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for each hardware counter that triggered this overflow
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get the event of this counter
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// following two steps are defined as *read()*,
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// check the section Reading/Writing Counters for details.
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count the delta value since previous interrupt
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update the event->count (# event occurs) by adding delta, and
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event->hw.period_left by subtracting delta
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if the event overflows
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sample data
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set the counter appropriately for the next overflow
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if the event overflows again
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too frequently, throttle this event
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fi
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fi
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end for
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然而截至目前，没有一个RISC-V的实现为perf设计了中断，所以具体的实现要在未来完成。
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4. Reading/Writing 计数
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它们看似差不多，但perf对待它们的态度却截然不同。 对于读，在 *struct pmu* 中有一个
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*read* 接口，但它的作用不仅仅是读。 根据上下文，*read* 函数不仅要读取计数器的内容
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（event->count），还要更新左周期到下一个中断（event->hw.period_left）。
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但 perf 的核心不需要直接写计数器。 写计数器隐藏在以下两点的抽象化之后，
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1） *pmu->start* ，从字面上看就是开始计数，所以必须把计数器设置成一个合适的值，以
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便下一次中断；
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2）在IRQ里面，应该把计数器设置成同样的合理值。
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在RISC-V中，读操作不是问题，但写操作就需要费些力气了，因为S模式不允许写计数器。
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5. add()/del()/start()/stop()
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基本思想: add()/del() 向PMU添加/删除事件，start()/stop() 启动/停止PMU中某个事件
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的计数器。 所有这些函数都使用相同的参数: *struct perf_event *event* 和 *int flag* 。
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把 perf 看作一个状态机，那么你会发现这些函数作为这些状态之间的状态转换过程。
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定义了三种状态（event->hw.state）:
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* PERF_HES_STOPPED: 计数停止
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* PERF_HES_UPTODATE: event->count是最新的
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* PERF_HES_ARCH: 依赖于体系结构的用法，。。。我们现在并不需要它。
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这些状态转换的正常流程如下:
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* 用户启动一个 perf 事件，导致调用 *event_init* 。
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* 当被上下文切换进来的时候，*add* 会被 perf core 调用，并带有一个标志 PERF_EF_START，
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也就是说事件被添加后应该被启动。 在这个阶段，如果有的话，一般事件会被绑定到一个物
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理计数器上。当状态变为PERF_HES_STOPPED和PERF_HES_UPTODATE，因为现在已经停止了,
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（软件）事件计数不需要更新。
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- 然后调用 *start* ，并启用计数器。
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通过PERF_EF_RELOAD标志，它向计数器写入一个适当的值（详细情况请参考上一节）。
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如果标志不包含PERF_EF_RELOAD，则不会写入任何内容。
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现在状态被重置为none，因为它既没有停止也没有更新（计数已经开始）。
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*当被上下文切换出来时被调用。 然后，它检查出PMU中的所有事件，并调用 *stop* 来更新它们
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的计数。
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- *stop* 被 *del* 和perf核心调用，标志为PERF_EF_UPDATE，它经常以相同的逻辑和 *read*
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共用同一个子程序。
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状态又一次变为PERF_HES_STOPPED和PERF_HES_UPTODATE。
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- 这两对程序的生命周期: *add* 和 *del* 在任务切换时被反复调用；*start* 和 *stop* 在
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perf核心需要快速停止和启动时也会被调用，比如在调整中断周期时。
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目前的实现已经足够了，将来可以很容易地扩展到功能。
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A. 相关结构体
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* struct pmu: include/linux/perf_event.h
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* struct riscv_pmu: arch/riscv/include/asm/perf_event.h
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两个结构体都被设计为只读。
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*struct pmu* 定义了一些函数指针接口，它们大多以 *struct perf_event* 作为主参数，根据
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perf的内部状态机处理perf事件（详情请查看kernel/events/core.c）。
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*struct riscv_pmu* 定义了PMU的具体参数。 命名遵循所有其它架构的惯例。
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* struct perf_event: include/linux/perf_event.h
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* struct hw_perf_event
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表示 perf 事件的通用结构体，以及硬件相关的细节。
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* struct riscv_hw_events: arch/riscv/include/asm/perf_event.h
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保存事件状态的结构有两个固定成员。
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事件的数量和事件的数组。
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参考文献
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[1] https://github.com/riscv/riscv-linux/pull/124
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[2] https://groups.google.com/a/groups.riscv.org/forum/#!topic/sw-dev/f19TmCNP6yA
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