1. AMU簡(jiǎn)介

AMU是ActivityMonitor Unit的縮寫，在Arm v8.4架構(gòu)中引入。從Arm文檔描述來(lái)看，AMU與PMU(PerformanceMonitor Unit)有類似的性能監(jiān)控功能，但其設(shè)計(jì)初衷是為了系統(tǒng)管理，而PMU的用途是用戶態(tài)程序或者調(diào)試功能。AMU可以為系統(tǒng)性能、功耗管理提供持續(xù)不斷的監(jiān)控并獲取非常有用的信息。

在介紹AMU之前，先介紹下PMU幾個(gè)基本概念，對(duì)了解AMU會(huì)有所幫助。PMU用于跟蹤、統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部的一些底層硬件事件，這些事件反映了程序在CPU上執(zhí)行的行為，可以幫助我們對(duì)程序進(jìn)行分析和調(diào)優(yōu)：

Event，即事件，例如CPU相關(guān)的事件包括執(zhí)行指令數(shù)，時(shí)鐘周期等，cache相關(guān)的事件包括各級(jí)cache訪問(wèn)、refill計(jì)數(shù)等，以及與TLB有關(guān)的事件等。每個(gè)event都有一個(gè)特定的eventid。

Counter，事件計(jì)數(shù)器，數(shù)量固定，以Cortex-A53為例，一共有1+6個(gè)Counter，CycleCounter只用于記錄CPU Cycle數(shù)，另外6個(gè)Counter是可配置的Counter，根據(jù)配置選擇的Event進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器發(fā)生溢出時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)產(chǎn)生overflow中斷。

AMUv1架構(gòu)定義(architecturally defined)4個(gè)固定的EventCounter，分別是：

既然是架構(gòu)規(guī)定要實(shí)現(xiàn)的，那么一定是被經(jīng)常用到的Event。未來(lái)可能會(huì)增加固定Counter的數(shù)量，AMU最多可支持16個(gè)固定Counter。

除了固定Counter，還支持最多16個(gè)輔助的Counter，這些Counter可以做成固定的也可以是可配置的，取決于具體實(shí)現(xiàn)。所有AMUEvent Counter都是64位的，在溢出時(shí)沒有提示或者中斷。

2. AMU寄存器

AMU寄存器如下圖所列，

AMU寄存器通過(guò)systemregister接口MRS和MSR指令進(jìn)行訪問(wèn)。

訪問(wèn)控制

可通過(guò)配置控制是否允許更低EL級(jí)別訪問(wèn)AMU寄存器。AMUSERENR_EL0.ENbit控制EL0訪問(wèn)AMU寄存器，可在EL1，EL2，EL3中配置。CPTR_EL2.TAMbit控制來(lái)自EL0和EL1的訪問(wèn)，CPTR_EL3.TAMbit控制來(lái)自EL0，EL1和EL2的訪問(wèn)。其他的配置，只允許在最高的EL級(jí)別中進(jìn)行。

Counter寄存器

Counter寄存器都有以下特點(diǎn)：

都是64位寄存器，并且overflow時(shí)不產(chǎn)生狀態(tài)提示或者中斷；

CPU復(fù)位后Counter寄存器值恢復(fù)為0；

Event Type寄存器

EventType寄存器配置了各Counter對(duì)哪個(gè)event進(jìn)行計(jì)數(shù)，這點(diǎn)與PMU的PMEVTYPER_EL0寄存器類似。

AMCNTENSET0_EL0/AMCNTENCLR0_EL0可對(duì)各Counterenable/disable進(jìn)行控制，其他寄存器含義可參考ARM文檔，這里不一一介紹。

3. 代碼實(shí)現(xiàn)

在Kernel中通過(guò)CONFIG_ARM64_AMU_EXTN宏進(jìn)行AMU代碼控制，Kernel最早支持AMU的功能，在這個(gè)patch中：

arm64: add support for the AMU extension v1

在arch/arm64/include/asm/sysreg.h中定義了AMU各寄存器的地址

/* Definitions for system register interface to AMU for ARMv8.4
onwards */
#define SYS_AM_EL0(crm, op2) sys_reg(3,
3, 13, (crm), (op2))
#define SYS_AMCR_EL0 SYS_AM_EL0(2,
0)
#define SYS_AMCFGR_EL0        SYS_AM_EL0(2, 1)
#define SYS_AMCGCR_EL0        SYS_AM_EL0(2, 2)
#define SYS_AMUSERENR_EL0        SYS_AM_EL0(2, 3)
#define SYS_AMCNTENCLR0_EL0  SYS_AM_EL0(2, 4)
#define SYS_AMCNTENSET0_EL0        SYS_AM_EL0(2, 5)
#define SYS_AMCNTENCLR1_EL0  SYS_AM_EL0(3, 0)
#define SYS_AMCNTENSET1_EL0        SYS_AM_EL0(3, 1)
#define SYS_AMEVCNTR0_EL0(n)  SYS_AM_EL0(4 + ((n) >> 3), (n)
& 7)
#define SYS_AMEVTYPER0_EL0(n)        SYS_AM_EL0(6 + ((n) >> 3), (n)
& 7)
#define SYS_AMEVCNTR1_EL0(n)  SYS_AM_EL0(12 + ((n) >> 3), (n)
& 7)
#define SYS_AMEVTYPER1_EL0(n)        SYS_AM_EL0(14 + ((n) >> 3), (n)
& 7)
/* AMU v1: Fixed (architecturally defined) activity monitors */
#define SYS_AMEVCNTR0_CORE_EL0        SYS_AMEVCNTR0_EL0(0)
#define SYS_AMEVCNTR0_CONST_EL0        SYS_AMEVCNTR0_EL0(1)
#define SYS_AMEVCNTR0_INST_RET_EL0 SYS_AMEVCNTR0_EL0(2)
#define SYS_AMEVCNTR0_MEM_STALL        SYS_AMEVCNTR0_EL0(3)

在arm-trusted-firmware中，也有AMU寄存器讀寫相關(guān)代碼，還包括上下電時(shí)AMU備份恢復(fù)的操作，代碼主要在lib/extensions/amu/aarch64/和lib/cpus/aarch64/cpuamu_helpers.S。

4. AMU的應(yīng)用

在內(nèi)核中有這么一個(gè)patch，目的是為了讓調(diào)度LoadTracking的FIE計(jì)算更準(zhǔn)確，

arm64: use activity monitors for frequency invariance

在此之前，Kernel中的freq scale計(jì)算都是通過(guò)cpufreq模塊記錄的當(dāng)前頻率和最大頻率來(lái)計(jì)算的，但是實(shí)際頻率可能在Kernel之外的地方發(fā)生變化，與Kernel cpufreq模塊記錄的當(dāng)前頻率不同，或者支持ACPI的cpufreq driver是不知道當(dāng)前頻率的。因此AMU就為獲取CPU平均頻率提供了一個(gè)方法。通過(guò)CPU_CYCLES和CNT_CYCLES的Counter計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算CPU頻率，具體代碼如下。

arch/arm64/kernel/topology.c

/* Initialize counter reference per-cpu variables for the current
CPU */
void init_cpu_freq_invariance_counters(void)
{
this_cpu_write(arch_core_cycles_prev，
        read_sysreg_s(SYS_AMEVCNTR0_CORE_EL0));
this_cpu_write(arch_const_cycles_prev，
        read_sysreg_s(SYS_AMEVCNTR0_CONST_EL0));
}
void topology_scale_freq_tick(void)
{
u64 prev_core_cnt， prev_const_cnt;
u64 core_cnt， const_cnt， scale;
int cpu =
smp_processor_id();
if
(!amu_freq_invariant())
return;
if
(!cpumask_test_cpu(cpu， amu_fie_cpus))
return;
const_cnt =
read_sysreg_s(SYS_AMEVCNTR0_CONST_EL0);
core_cnt = read_sysreg_s(SYS_AMEVCNTR0_CORE_EL0);
prev_const_cnt =
this_cpu_read(arch_const_cycles_prev);
prev_core_cnt =
this_cpu_read(arch_core_cycles_prev);
if (unlikely(core_cnt
<= prev_core_cnt ||
      const_cnt <= prev_const_cnt))
goto
store_and_exit;
/*
  *        /core   arch_max_freq_scale
  * scale = ------- * --------------------
  *        /const  SCHED_CAPACITY_SCALE
  *
  * See validate_cpu_freq_invariance_counters()
for details on
  * arch_max_freq_scale and the use of
SCHED_CAPACITY_SHIFT。
  */
scale = core_cnt -
prev_core_cnt;
scale *=
this_cpu_read(arch_max_freq_scale);
scale = div64_u64(scale
>> SCHED_CAPACITY_SHIFT，
   const_cnt - prev_const_cnt);
scale = min_t(unsigned
long， scale， SCHED_CAPACITY_SCALE);
this_cpu_write(freq_scale， (unsigned long)scale);
store_and_exit:
this_cpu_write(arch_core_cycles_prev， core_cnt);
this_cpu_write(arch_const_cycles_prev， const_cnt);
}

5. AMU與PMU的區(qū)別

前文提到AMU與PMU的設(shè)計(jì)目的不同。除此之外，還有哪些差異點(diǎn)呢？

AMU與PMU具有類似的特性，設(shè)計(jì)的目的有所不同，AMU是為了系統(tǒng)功耗性能管理，PMU是為了用戶態(tài)程序或者調(diào)試目的。從硬件角度都是對(duì)事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，我們同樣也可以使用PMU的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行功耗和性能管理，為什么還要再引入AMU呢?

可能的原因是，PMU有多個(gè)使用場(chǎng)景，如果在性能功耗管理方案上使用了PMU，那么在性能調(diào)試時(shí)也要獲取PMU信息就可能產(chǎn)生沖突，例如使用強(qiáng)大的perf工具抓取PMU信息，尤其在Counter數(shù)量有限的情況下，沖突概率更大。引入AMU是為了給固定的資源專門用來(lái)做系統(tǒng)控制方案，從而釋放PMU資源用作其他目的。

PMU和AMU的軟件使用方式上，也有很大的不同。AMU通過(guò)system register interface就可以訪問(wèn)，而PMU需要通過(guò)內(nèi)核的perf接口，軟件開銷遠(yuǎn)超過(guò)AMU。

下圖列出了兩者功能上的一些差異，

審核編輯：劉清