linux 处理器特定的寄存器

如果你需要测量非常短时间间隔, 或者你需要非常高精度, 你可以借助平台依赖的资源, 一个要精度不要移植性的选择.

在现代处理器中, 对于经验性能数字的迫切需求被大部分 CPU 设计中内在的指令定时不 确定性所阻碍, 这是由于缓存内存, 指令调度, 以及分支预测引起. 作为回应, CPU 制造 商引入一个方法来计数时钟周期, 作为一个容易并且可靠的方法来测量时间流失. 因此, 大部分现代处理器包含一个计数器寄存器, 它在每个时钟周期固定地递增一次. 现在, 资 格时钟计数器是唯一可靠的方法来进行高精度的时间管理任务.

细节每个平台不同: 这个寄存器可以或者不可以从用户空间可读, 它可以或者不可以写, 并且它可能是 64 或者 32 位宽. 在后一种情况, 你必须准备处理溢出, 就象我们处理 jiffy 计数器一样. 这个寄存器甚至可能对你的平台来说不存在, 或者它可能被硬件设计 者在一个外部设备实现, 如果 CPU 缺少这个特性并且你在使用一个特殊用途的计算机.

无论是否寄存器可以被清零, 我们强烈不鼓励复位它, 即便当硬件允许时. 毕竟, 在任何 给定时间你可能不是这个计数器的唯一用户; 在一些支持 SMP 的平台上, 例如, 内核依 赖这样一个计数器来在处理器之间同步. 因为你可以一直测量各个值的差, 只要差没有超 过溢出时间, 你可以通过修改它的当前值来做这个事情不用声明独自拥有这个寄存器.

最有名的计数器寄存器是 TSC ( timestamp counter), 在 x86 处理器中随 Pentium 引 入的并且在所有从那之后的 CPU 中出现 -- 包括 x86_64 平台. 它是一个 64-位 寄存器 计数 CPU 的时钟周期; 它可从内核和用户空间读取.

在包含了 <asm/msr.h> (一个 x86-特定的头文件, 它的名子代表"machine-specific registers"), 你可使用一个这些宏:

rdtsc(low32,high32); rdtscl(low32); rdtscll(var64);

第一个宏自动读取 64-位 值到 2 个 32-位 变量; 下一个("read low half") 读取寄存 器的低半部到一个 32-位 变量, 丢弃高半部; 最后一个读 64-位 值到一个 long long 变量, 由此得名. 所有这些宏存储数值到它们的参数中.

对大部分的 TSC 应用, 读取这个计数器的的低半部足够了. 一个 1-GHz 的 CPU 只在每 4.2 秒溢出一次, 因此你不会需要处理多寄存器变量, 如果你在使用的时间流失确定地使 用更少时间. 但是, 随着 CPU 频率不断上升以及定时需求的提高, 将来你会几乎可能需 要常常读取 64-位 计数器.

作为一个只使用寄存器低半部的例子, 下面的代码行测量了指令自身的执行: unsigned long ini, end;

rdtscl(ini); rdtscl(end);

printk("time lapse: %li\n", end - ini);

一些其他的平台提供相似的功能, 并且内核头文件提供一个体系独立的功能, 你可用来代 替 rdtsc. 它称为 get_cycles, 定义在 <asm/timex.h>( 由 <linux/timex.h> 包含). 它的原型是:

#include <linux/timex.h> cycles_t get_cycles(void);

这个函数为每个平台定义, 并且它一直返回 0 在没有周期-计数器寄存器的平台上. cycles_t 类型是一个合适的 unsigned 类型来持有读到的值.

不论一个体系独立的函数是否可用, 我们最好利用机会来展示一个内联汇编代码的例子. 为此, 我们实现一个 rdtscl 函数给 MIPS 处理器, 它与在 x86 上同样的方式工作.

拖尾的 nop 指令被要求来阻止编译器在 mfc0 之后马上存取指令中的目标寄存器. 这种 内部锁在 RISC 处理器中是典型的, 并且编译器仍然可以在延迟时隙中调度有用的指令. 在这个情况中, 我们使用 nop 因为内联汇编对编译器是一个黑盒并且不会进行优化.[26]26

我们在 MIPS 上建立这例子, 因为大部分的 MIPS 处理器特有一个 32-位 计数器作为它们内部"协处理器 0"的寄

存器 9. 为存取这个寄存器, 仅仅从内核空间可读, 你可以定义下列的宏来执行一条"从协处理器 0 转移"的汇编指令.

asm     volatile  ("mfc0 %0,$9; nop" : "=r" (dest))

有这个宏在, MIPS 处理器可以执行同样的代码, 如同前面为 x86 展示的一样的代码.

使用 gcc 内联汇编, 通用寄存器的分配留给编译器. 刚刚展示的这个宏使用 %0 作为"参 数 0"的一个占位符, 之后它被指定为"任何用作输出( = )的寄存器( r )". 这个宏还声 明输出寄存器必须对应 C 表达式 dest. 内联函数的语法是非常强大但是有些复杂, 特别 对于那些有限制每个寄存器可以做什么的体系上(就是说, x86 家族). 这个用法在 gcc 文档中描述, 常常在 info 文档目录树中有.

本节已展示的这个简短的 C-代码片段已在一个 K7-级 x86 处理器 和一个 MIPS VR4181 ( 使用刚刚描述过的宏 )上运行. 前者报告了一个 11 个时钟嘀哒的时间流失而后者只是 2 个时钟嘀哒. 小的数字是期望的, 因为 RISC 处理器常常每个时钟周期执行一条指令.

有另一个关于时戳计数器的事情值得知道: 它们在一个 SMP 系统中不必要跨处理器同步. 为保证得到一个一致的值, 你应当为查询这个计数器的代码禁止抢占.