【ARM v8】如何在ARM上实现x86的rdtsc()函数
博主未授权任何人或组织机构转载博主任何原创文章，感谢各位对原创的支持！
博主链接
本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
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
文章目录
- 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
- 二、使用ARMv8的PMU计数器PMCCNTR_EL0
- 2.1 关键寄存器介绍
- PMCCNTR_EL0（Performance Monitors Cycle Count Register）
- PMCR_EL0（Performance Monitors Control Register）
- PMUSERENR_EL0（Performance Monitors User Enable Register）
- PMCNTENCLR_EL0（Performance Monitors Count Enable Clear register）
- 2.2 内核使能代码
- 2.3 用户态代码
- 2.4 测试时遇到的问题
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
