飞腾平台perf工具PMU事件集成指南

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本文分享至飞腾开发者平台《飞腾平台perf工具PMU事件集成指南》

1 软件介绍

perf是内置于Linux-2.6+内核源码中的性能剖析工具。通过对各类性能事件的计数统计，以及在事件发生时对运行代码路径（调用栈）等进行采样记录，支持查找性能瓶颈、定位热点代码。perf支持的性能事件包括：硬件事件、软件事件、跟踪事件。其中，硬件事件由处理器实现的PMU（Performance Monitor Unit，性能监视单元）产生，探测各类与架构、微架构等相关性能事件发生的次数，例如cache-misses、cpu-cycles、instructions、branch-misses等。关于perf的更多信息可阅读参考文献【2】、【3】，关于PMU的更多信息可阅读参考文献【1】。

如下表perf list查看事件名称所示，perf为常用的硬件事件提供了符号名称（又称“事件别名“”），可以通过“-e 事件名称”的方式指定进行统计或采用的事件。对于各厂商实现的未提供符号名称的硬件事件，可以通过原始硬件事件编号“rNNN”的方式进行指定，但是使用起来不够直观和便捷。

List of pre-defined events (to be used in -e):branch-misses                   [Hardware event]bus-cycles                      [Hardware event]cache-misses                    [Hardware event]...L1-dcache-load-misses                [Hardware cache event]L1-dcache-loads                      [Hardware cache event]L1-icache-load-misses                [Hardware cache event]...br_mis_pred OR armv8_pmuv3_0/br_mis_pred/     [Kernel PMU event]br_pred OR armv8_pmuv3_0/br_pred/             [Kernel PMU event]bus_access OR armv8_pmuv3_0/bus_access/       [Kernel PMU event]...rNNN                                       [Raw hardware event descriptor]cpu/t1=v1[,t2=v2,t3 ...]/modifier          [Raw hardware event descriptor]

本文档以飞腾FTC6xx系列核心实现的硬件事件为例，说明如何在Linux内核上为飞腾PMU硬件事件建立perf符号名称、实现自定义硬件事件集成的方法。

2 环境要求

2.1 硬件环境

硬件环境要求如下表硬件环境所示。

项目	说明
CPU	FTC66X系列核心（FT-2000/4、FT-2000+/64）

2.2 软件环境

软件环境要求如下表所示。perf工具源码位于Linux内核源码目录中，使用内核的头文件。因此理论上保持perf和内核版本一致，能够完全保证接口的一致性。实践中，由于perf的用户-内核接口比较稳定，所以跨版本使用也没有问题。由于编译内核时并不会编译perf工具，因此可以从kernel.org获取与当前运行内核版本一致的内核源码包，解压内核源码并进入perf目录（cd tools/perf）执行make以构建perf工具。

项目	说明
OS	CentOS 8.3
kernel	4.19.5
patch	patch-4.19.5-phytium.patch（飞腾补丁）
perf	4.19.5

3 功能模块

perf由pmu-events模块（tools/perf/pmu-events）实现对各厂商自定义硬件事件的集成。

pmu-events由jevents工具、mapfile.csv文件、JSON文件组成：
1）JSON文件用于描述PMU事件，包括事件编号、事件名称、事件说明等信息；

2）mapfile.csv文件用于实现CPU型号与PMU事件集的映射；

3）jevents工具基于mapfile.csv文件和JSON文件，生成pmu-events.c文件，其中包含一组PMU事件表和一张映射表。每张PMU事件表（如下表PMU事件表示例所示）描述当前硬件架构下各种CPU型号的硬件事件信息，映射表（如下表映射表示例所示）则建立CPU型号与PMU事件表的映射关系。pmu-events.c文件编译后用于构建perf工具。

perf工具运行时通过确定所在的CPU型号，查找匹配的PMU事件表，从而为事件建立符号名称，实现自定义硬件事件的集成。

PMU事件表示例

struct pmu_event pme_arm_cortex_a53[] = {{.name = "br_indirect_spec",.event = "event=0x7a",.desc = "Branch speculatively executed, indirect branch",.topic = "branch",.long_desc = "Branch speculatively executed, indirect branch",},... ...}

映射表示例

struct pmu_events_map pmu_events_map[] = {{.cpuid = "0x00000000410fd03[[:xdigit:]]",.version = "v1",.type = "core",.table = pme_arm_cortex_a53},... ...}

4 接口说明

由上述功能模块组成可知，pmu-events模块主要通过JSON文件和mapfile.csv文件对外提供自定义硬件事件集成的接口。本节以arm的cortex-a53为例，对上述文件的布局和内容进行说明。

4.1 文件布局

如下表arch目录层次结构所示，arch目录下按照“架构/厂商/型号”的层次结构布局。

mapfile.csv文件放置在“架构”级别目录下。用于描述架构标准事件的架构标准JSON文件放置在“架构”级别目录下，例如armv8-recommended.json。用于描述各型号CPU的PMU事件JSON文件放置在对应“型号”级别目录下。型号JSON文件中可以使用“ArchStdEvent”来引用定义在架构标准JSON文件中的“架构标准事件”，基于“EventName”字段进行匹配。建议将CPU所支持的PMU事件按模块进行分组并放在独立的JSON文件里，例如cortex-a53的branch.json、bus.json、cache.json、memory.json、pipeline.json等。

pmu-events├── arch│   ├── arm64│   │   ├── arm│   │   │   └── cortex-a53│   │   │     ├── branch.json│   │   │     ├── bus.json│   │   │     ├── cache.json│   │   │     ├── memory.json│   │   │     ├── other.json│   │   │     └── pipeline.json│   │   ├── armv8-recommended.json│   │   ├── mapfile.csv... ...

4.2 JSON文件

如下表JSON文件内容所示，用于描述PMU事件信息的主要项目包括：

EventCode：事件原始编号；
EventName：对应的事件符号名称；
PublicDescription：事件的详细说明；
BriefDescription：事件的简要说明；

ArchStdEvent：直接使用架构标准JSON文件中定义的事件信息，指定EventName进行匹配。

[{"PublicDescription": "Attributable Level 1 data cache access, read","EventCode": "0x40","EventName": "L1D_CACHE_RD","BriefDescription": "L1D cache access, read"},... ...{"ArchStdEvent": "BUS_ACCESS_RD",},... ...]

4.3 mapfile.csv文件

如下表mapfile.csv文件内容所示，用于描述CPU型号与PMU事件集的映射关系的主要项目包括：

Family-model：CPUID（64bits），其中，[31-24]是销售ID（Implementer），[23-20]是大版本号（Variant），[19-16]是架构版本（Architecture），[15-4]是产品代码（PartNum），[3-0]（Revision）是小版本号。需要注意的是：大版本号和小版本号（即[23:20]和[3:0]位）需要置零；
Version：JSON文件版本号（未使用）；
PathName：JSON文件的路径，相对于tools/perf/pmu-events/arch/[架构]；
Type：PMU事件的类型，如core/uncore等。

#Family-model,Version,Filename,EventType0x00000000410fd03[[:xdigit:]],v1,arm/cortex-a53,core0x00000000420f5160,v1,cavium/thunderx2,core0x00000000430f0af0,v1,cavium/thunderx2,core... ...

文件实例

表phytium/ftc66x的JSON文件、表phytium/ftc66x的mapfile.csv文件所示，本节以飞腾FTC6xx系列核心实现的硬件事件为例，给出对应的mapfile.csv文件、JSON文件。

表phytium/ftc66x目录结构

pmu-events├── arch│   ├── arm64│   │   ├── armv8-recommended.json│   │   ├── mapfile.csv│   │   └── phytium│   │     └── ftc66x│   │       └── ft.json

表phytium/ftc66x的JSON文件

[{"PublicDescription": "Architectural-CHAIN","EventCode": "0x1e","EventName": "CHAIN","BriefDescription": "Architectural-CHAIN"},{"ArchStdEvent": "L1D_CACHE_RD"},{"ArchStdEvent": "L1D_CACHE_WR"},{"ArchStdEvent": "L1D_CACHE_REFILL_RD"},{"ArchStdEvent": "L1D_CACHE_REFILL_WR"},{"ArchStdEvent": "L1D_CACHE_WB_VICTIM"},... ...]

表phytium/ftc66x的mapfile.csv文件

#Family-model,Version,Filename,EventType... ...0x00000000700f6620,v1,phytium/ftc66x,core0x00000000700f6630,v1,phytium/ftc66x,core

完成上述事件集成操作之后，如表perf list可以列出新增的ft事件名称。

表perf list

List of pre-defined events (to be used in -e):branch-misses                   [Hardware event]bus-cycles                     [Hardware event]cache-misses                    [Hardware event]... ...L1-dcache-load-misses               [Hardware cache event]L1-dcache-loads                  [Hardware cache event]L1-icache-load-misses               [Hardware cache event]... ...armv8_pmuv3_0/br_mis_pred/             [Kernel PMU event]armv8_pmuv3_0/br_pred/               [Kernel PMU event]armv8_pmuv3_0/bus_access/             [Kernel PMU event]... ...ft:ase_spec[Operation speculatively executed, Advanced SIMD instruction]br_immed_spec[Branch speculatively executed, immediate branch]br_indirect_spec[Branch speculatively executed, indirect branch]... ...rNNN                        [Raw hardware event descriptor]cpu/t1=v1[,t2=v2,t3 ...]/modifier         [Raw hardware event descriptor](see 'man perf-list' on how to encode it)

5 常见问题

5.1 问题描述

CPUID是mapfile.csv文件中的关键项目，用于匹配当前硬件环境中的CPU型号以实现perf中的PMU事件符号名称。那么，如何获取CPUID？

5.2 问题处理

方法一：

执行cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/regs/identification/midr_el1。需要注意的是，大版本号和小版本号（即[23:20]和[3:0]位）需要置零。

表 cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/regs/identification/midr_el1

#cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/regs/identification/midr_el1
0x00000000701f6622

方法二：

执行 perf list --debug。可以直接获得可以用于当前硬件环境下的CPUID。

表perf list --debug

#perf list --debugUsing CPUID 0x00000000700f6620List of pre-defined events (to be used in -e):branch-misses                   [Hardware event]... ...

6 参考资料

[1] ARM Cortex-A72 MPCore Processor Technical Reference Manual r0p3（2016）

[2] perf学习总结，https://zhuanlan.zhihu.com/p/141694060（2020）

[3] perf wiki, https://perf.wiki.kernel.org/index.php/Tutorial（2015）

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