AMU与PMU有哪些差异点呢？

Linux阅码场 2023-01-31 5617

描述

1. AMU简介

AMU是ActivityMonitor Unit的缩写，在Arm v8.4架构中引入。从Arm文档描述来看，AMU与PMU(PerformanceMonitor Unit)有类似的性能监控功能，但其设计初衷是为了系统管理，而PMU的用途是用户态程序或者调试功能。AMU可以为系统性能、功耗管理提供持续不断的监控并获取非常有用的信息。

在介绍AMU之前，先介绍下PMU几个基本概念，对了解AMU会有所帮助。PMU用于跟踪、统计系统内部的一些底层硬件事件，这些事件反映了程序在CPU上执行的行为，可以帮助我们对程序进行分析和调优：

Event，即事件，例如CPU相关的事件包括执行指令数，时钟周期等，cache相关的事件包括各级cache访问、refill计数等，以及与TLB有关的事件等。每个event都有一个特定的eventid。

Counter，事件计数器，数量固定，以Cortex-A53为例，一共有1+6个Counter，CycleCounter只用于记录CPU Cycle数，另外6个Counter是可配置的Counter，根据配置选择的Event进行计数。当计数器发生溢出时，计数器会产生overflow中断。

计数器

AMUv1架构定义(architecturally defined)4个固定的EventCounter，分别是：

计数器

既然是架构规定要实现的，那么一定是被经常用到的Event。未来可能会增加固定Counter的数量，AMU最多可支持16个固定Counter。

除了固定Counter，还支持最多16个辅助的Counter，这些Counter可以做成固定的也可以是可配置的，取决于具体实现。所有AMUEvent Counter都是64位的，在溢出时没有提示或者中断。

2. AMU寄存器

AMU寄存器如下图所列，

计数器

AMU寄存器通过systemregister接口MRS和MSR指令进行访问。

访问控制

可通过配置控制是否允许更低EL级别访问AMU寄存器。AMUSERENR_EL0.ENbit控制EL0访问AMU寄存器，可在EL1，EL2，EL3中配置。CPTR_EL2.TAMbit控制来自EL0和EL1的访问，CPTR_EL3.TAMbit控制来自EL0，EL1和EL2的访问。其他的配置，只允许在最高的EL级别中进行。

Counter寄存器

Counter寄存器都有以下特点：

都是64位寄存器，并且overflow时不产生状态提示或者中断；

CPU复位后Counter寄存器值恢复为0；

Event Type寄存器

计数器

EventType寄存器配置了各Counter对哪个event进行计数，这点与PMU的PMEVTYPER_EL0寄存器类似。

AMCNTENSET0_EL0/AMCNTENCLR0_EL0可对各Counterenable/disable进行控制，其他寄存器含义可参考ARM文档，这里不一一介绍。

3. 代码实现

在Kernel中通过CONFIG_ARM64_AMU_EXTN宏进行AMU代码控制，Kernel最早支持AMU的功能，在这个patch中：

arm64: add support for the AMU extension v1

在arch/arm64/include/asm/sysreg.h中定义了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寄存器读写相关代码，还包括上下电时AMU备份恢复的操作，代码主要在lib/extensions/amu/aarch64/和lib/cpus/aarch64/cpuamu_helpers.S。

4. AMU的应用

在内核中有这么一个patch，目的是为了让调度LoadTracking的FIE计算更准确，

arm64: use activity monitors for frequency invariance

在此之前，Kernel中的freq scale计算都是通过cpufreq模块记录的当前频率和最大频率来计算的，但是实际频率可能在Kernel之外的地方发生变化，与Kernel cpufreq模块记录的当前频率不同，或者支持ACPI的cpufreq driver是不知道当前频率的。因此AMU就为获取CPU平均频率提供了一个方法。通过CPU_CYCLES和CNT_CYCLES的Counter计数来计算CPU频率，具体代码如下。

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与PMU的区别

前文提到AMU与PMU的设计目的不同。除此之外，还有哪些差异点呢？

AMU与PMU具有类似的特性，设计的目的有所不同，AMU是为了系统功耗性能管理，PMU是为了用户态程序或者调试目的。从硬件角度都是对事件进行计数，我们同样也可以使用PMU的统计结果进行功耗和性能管理，为什么还要再引入AMU呢?

可能的原因是，PMU有多个使用场景，如果在性能功耗管理方案上使用了PMU，那么在性能调试时也要获取PMU信息就可能产生冲突，例如使用强大的perf工具抓取PMU信息，尤其在Counter数量有限的情况下，冲突概率更大。引入AMU是为了给固定的资源专门用来做系统控制方案，从而释放PMU资源用作其他目的。

PMU和AMU的软件使用方式上，也有很大的不同。AMU通过system register interface就可以访问，而PMU需要通过内核的perf接口，软件开销远超过AMU。

下图列出了两者功能上的一些差异，

计数器

审核编辑：刘清

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