【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数

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在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数

一、使用ARMv8提供的独立定时器CNTVCT_EL0

       System counter是Arm64下独立于CPU core的计数器，在系统上电时，会给此计数器设置固定的频率。一个映射System counter计数器内容的寄存器为CNTVCT_EL0，可在用户态下读取此寄存器获取counter值。而CNTFRQ_EL0保存的是counter的频率值（详细内容参考《【ARMv8】通用定时器总结》）。通过下面的函数实现获取counter值及频率值：

static inline uint64_t 
arm64_cntvct(void) 
{   uint64_t tsc;   asm volatile("mrs %0, cntvct_el0" : "=r" (tsc));   return tsc; 
} static inline uint64_t 
arm64_cntfrq(void)
{   uint64_t freq;   asm volatile("mrs %0, cntfrq_el0" : "=r" (freq));   return freq; 
} static inline uint64_t 
rdtsc(void) 
{return arm64_cntvct();
}

但是System counter的精度从Armv8.0到Armv8.5，范围通常在1-50MHz；从Armv8.6开始，以1GHz的固定频率递增。虽然1GHz的频率已经足够高了，但是还是达不到CPU cycle级别的精度。

二、使用ARMv8的PMU计数器PMCCNTR_EL0

       在ARMv8中，有Performance Monitors Control Register系列寄存器，其中PMCCNTR_EL0就类似于x86的TSC寄存器。但是如果想在用户态访问这些寄存器，需要在内核代码中开启PMU用户态访问开关。

2.1 关键寄存器介绍

PMCCNTR_EL0（Performance Monitors Cycle Count Register）

保存了处理器周期计数器的值，其结构如下：

PMCR_EL0（Performance Monitors Control Register）

PMU配置寄存器，其结果如下：

其中和我们关系密切的几个参数含义：

• LC：设置为1，表示开启64bit的周期计数器；否则，使用32bit的计数器（32bit的已经摒弃）；
• D：设置为1，表示每64个时钟周期，计时器累加一次（已经摒弃）；否则，每个时钟周期计数器累加一次；
• C：设置为1，表示重置计数器；
• E：设置为1，表示开启计数器PMCCNTR_EL0；

PMUSERENR_EL0（Performance Monitors User Enable Register）

用于开启或关闭用户态下是否可以访问PMU寄存器，相关结构如下：

其中和我们关系密切的几个参数含义：

• ER：设置为1，表示用户态下可以读写PMU寄存器；否则不可以读写；
• EN：设置为1，表示用户态软件可以访问所有PMU特定的寄存器；

PMCNTENCLR_EL0（Performance Monitors Count Enable Clear register）

设置启用的计数器和事件计数器，相关结构如下：

其中和我们关系密切的几个参数含义：

• C：设置为1，表示启用PMCCNTR_EL0计数器；

2.2 内核使能代码

/*                                                                             * Enable user-mode ARM performance counter access.                            */                                                                           
#include <linux/kernel.h>                                                      
#include <linux/module.h>                                                      
#include <linux/smp.h>                                                         #define ARMV8_PMCR_MASK         0x3f                                                                    
#define ARMV8_PMCR_E            (1 << 0) /* Enable all counters */                                      
#define ARMV8_PMCR_P            (1 << 1) /* Reset all counters */                                       
#define ARMV8_PMCR_C            (1 << 2) /* Cycle counter reset */                                      
#define ARMV8_PMCR_D            (1 << 3) /* CCNT counts every 64th cpu cycle */                         
#define ARMV8_PMCR_X            (1 << 4) /* Export to ETM */                                            
#define ARMV8_PMCR_DP           (1 << 5) /* Disable CCNT if non-invasive debug*/                        
#define ARMV8_PMCR_LC           (1 << 6) /* Cycle Counter 64bit overflow*/
#define ARMV8_PMCR_N_SHIFT      11       /* Number of counters supported */                             
#define ARMV8_PMCR_N_MASK       0x1f                                                                    #define ARMV8_PMUSERENR_EN_EL0  (1 << 0) /* EL0 access enable */                                        
#define ARMV8_PMUSERENR_CR      (1 << 2) /* Cycle counter read enable */                                
#define ARMV8_PMUSERENR_ER      (1 << 3) /* Event counter read enable */                                static inline u32 armv8pmu_pmcr_read(void)                                                              
{                                                                                                       u64 val=0;                                                                                      asm volatile("mrs %0, pmcr_el0" : "=r" (val));                                                  return (u32)val;                                                                                
}                                                                                                       
static inline void armv8pmu_pmcr_write(u32 val)                                                         
{                                                                                                       val &= ARMV8_PMCR_MASK;                                                                         isb();                                                                                          asm volatile("msr pmcr_el0, %0" : : "r" ((u64)val));                                            
}       static void                                                                                            
enable_cpu_counters(void* data)                                                                         
{                                                                                                       u32 val=0;                                                         asm volatile("msr pmuserenr_el0, %0" : : "r"(0xf));                                                   asm volatile("msr PMCNTENSET_EL0, %0" :: "r" ((u32)(1<<31)));armv8pmu_pmcr_write(armv8pmu_pmcr_read() | ARMV8_PMCR_E|ARMV8_PMCR_LC);   printk("\nCPU:%d ", smp_processor_id());
}                                                                                                       static void                                                                                            
disable_cpu_counters(void* data)                                                                        
{                                                                                                                                                                                                   printk(KERN_INFO "\ndisabling user-mode PMU access on CPU #%d",                       smp_processor_id());                                                                                   /* Program PMU and disable all counters */                                                            armv8pmu_pmcr_write(armv8pmu_pmcr_read() |~ARMV8_PMCR_E);                                              asm volatile("msr pmuserenr_el0, %0" : : "r"((u64)0));                                                                                                                                                
}                                                                                                       static int __init                                                                                       
init(void)                                                                                              
{                                                                       isb();on_each_cpu(enable_cpu_counters, NULL, 1);                                                             printk(KERN_INFO "Enable Access PMU Initialized");                                                       return 0;                                                                                              
}                                                                                                       static void __exit                                                                                      
fini(void)                                                                                              
{                                                                                                       on_each_cpu(disable_cpu_counters, NULL, 1);                                                            printk(KERN_INFO "Access PMU Disabled");                                                          
}                                                                                                       module_init(init);                                                                                      
module_exit(fini);
module_license("GPL");

2.3 用户态代码

#include <stdio.h>#define u64 unsigned long long
#define isb()       asm volatile("isb" : : : "memory")static inline u64 arch_counter_get_cntpct(void)
{u64 cval;isb();asm volatile("mrs %0, PMCCNTR_EL0" : "+r"(cval));return cval;
}

2.4 测试时遇到的问题

可能有同学会用下面的代码测试定时精度，

int main()
{u64 begin,end;begin = arch_counter_get_cntpct();sleep(1);end= arch_counter_get_cntpct();printf("The count is %llu.\n",end-begin);return 0;
}

但是会发现使用统计的计数值与CPU当前的始终频率计算后，时间不是1s。这是因为Linux的省电功能导致的，sleep会使当前进程让出CPU，如果此时CPU任务队列中没有任务，就会进入低功耗（例如，WFI）甚至offline，如果进入上述状态PMU计数器就会停止计数，导致计数值不准确。

毕竟PMU是为调式使用的，如果此时CPU没有任务，也确实没有必要继续统计了。所以使用PMU寄存器计数是，不应该有主动让出CPU的行为，可能会导致计数不准确。

可以尝试关闭省电模式：

echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu<X>/cpuidle/state<Y>/disable

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