RISC-V在云端、數(shù)據(jù)中心、汽車與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的頻繁創(chuàng)新和亮相，已經(jīng)讓這一成長(zhǎng)中的ISA一只腳邁入了高性能計(jì)算場(chǎng)景。然而缺少?gòu)?qiáng)大的性能監(jiān)測(cè)工具讓RISC-V的應(yīng)用優(yōu)化成了問(wèn)題，尤其是在RISC-V如今不少軟件源于從非原生移植的情況下，運(yùn)算性能不能發(fā)揮出百分百的實(shí)力成了令人頭疼的問(wèn)題。

與此同時(shí)，英特爾和ARM都擁有自己專用的性能監(jiān)控方案，讓開(kāi)發(fā)者可以發(fā)揮出其硬件的全部效力，但RISC-V仍然依靠定制或廠商特定的方案，而缺少通用性能監(jiān)控軟件工具的完整支持。

Perf對(duì)RISC-V的支持

系統(tǒng)級(jí)的性能優(yōu)化往往是靠性能剖析和代碼優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，前者是為了尋找性能瓶頸，后者則是為了改善軟件性能，因此這類性能分析/監(jiān)控工具成了處理器開(kāi)發(fā)時(shí)必不可少的軟件。盡管RISC-V的ISA規(guī)范已經(jīng)定義了硬件性能監(jiān)控(HPM)，但總體支持程度上仍未完善。

就以Linux上的性能分析工具Perf為例，該工具可以借助PMU(性能監(jiān)控單元)、tracepoint和內(nèi)核計(jì)數(shù)器來(lái)分析程序中的硬件事件，比如處理器時(shí)鐘周期、指令計(jì)數(shù)器等，也可以分析一些軟件事件，比如Page Fault等。

Perf分為兩種模式，一種是perf stat，一種是perf record。如今上游Linux的perf雖然已經(jīng)對(duì)RISC-V有了支持，但僅對(duì)perf stat有一些基本的支持。比如mcycle這一CSR用于處理器運(yùn)行的時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)，而minstret這一CSR則用于退休指令計(jì)數(shù)。

目前RISC-V特權(quán)規(guī)范中的支持 / 西部數(shù)據(jù)

RISC-V privileged規(guī)范中，RISC-V定義了幾種特權(quán)模式，分別是U-mode（用戶模式）、S-mode（管理員模式）和M-mode（機(jī)器模式）。但目前只有在機(jī)器模式下才能對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀寫，管理員模式下缺乏可寫入的寄存器。

計(jì)數(shù)器卻又是每時(shí)每刻運(yùn)行中的，所以現(xiàn)在可以做到周期和指令計(jì)數(shù)，卻無(wú)法啟用、禁用和暫停計(jì)數(shù)器，無(wú)法使用任何可編程計(jì)數(shù)器和事件采樣。不僅如此，RISC-V的perf不僅無(wú)法處理計(jì)數(shù)器溢出，也不支持溢出中斷。雖然市面上很多RISC-V處理器已經(jīng)考慮到了這一點(diǎn)，采用定制的形式來(lái)完成部分任務(wù)，比如Esperanto就為自己的ET-SoC-1千核RISC-V處理器加入了商業(yè)級(jí)的芯片除錯(cuò)與性能監(jiān)控能力，但RISC-V規(guī)范本身缺少這些支持，這也就不利于當(dāng)下RISC-V的開(kāi)源生態(tài)。

完整的Perf支持缺少了什么？

于是我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)管理員模式下無(wú)法寫入計(jì)數(shù)器，也無(wú)法改變mcountinhibit來(lái)直接開(kāi)啟或停止計(jì)數(shù)器，也無(wú)法改變mhpmcountern來(lái)開(kāi)啟或禁用直接讀取。接著就是沒(méi)有中斷指示器，我們不知道哪一個(gè)計(jì)數(shù)器出現(xiàn)了數(shù)值溢出，也沒(méi)有事件篩選功能。那么針對(duì)這些問(wèn)題的解決方案是什么，哪些措施才能實(shí)現(xiàn)完整的Perf支持呢？來(lái)自西部數(shù)據(jù)的Atish Patra在近期的RISC-V峰會(huì)上提出了他以及開(kāi)發(fā)社區(qū)所青睞的答案——SBI PMU擴(kuò)展和sscofpmf ISA擴(kuò)展。

SBI PMU擴(kuò)展將作為一個(gè)接口，讓管理員模式下的軟件發(fā)現(xiàn)硬件計(jì)數(shù)器的細(xì)節(jié)，針對(duì)特定的perf事件來(lái)配置硬件計(jì)數(shù)器，在請(qǐng)求下開(kāi)始或停止計(jì)數(shù)器。除此之外，SBI PMU擴(kuò)展還引入了固件性能計(jì)數(shù)器來(lái)監(jiān)控固件事件，比如未對(duì)齊的存取指令數(shù)、RFENCE和IPI數(shù)等等。如今在RISC-V的SBI 1.0版本中我們也可以看到，PMU擴(kuò)展已經(jīng)成了該規(guī)范的一部分。

接著是sscofpmf擴(kuò)展，ss代表的是特權(quán)架構(gòu)和管理員級(jí)的擴(kuò)展，cofpmf代表的是溢出計(jì)數(shù)和特權(quán)模式篩選。該擴(kuò)展新增了一個(gè)32位的scountovf只讀寄存器，該寄存器存儲(chǔ)的是29個(gè)mhpmcounter的第63位（OF），如此一來(lái)就能準(zhǔn)確快速地判斷究竟是哪個(gè)事件的計(jì)數(shù)器溢出了。這一擴(kuò)展已經(jīng)凍結(jié)，目前處于審查狀態(tài)，預(yù)計(jì)不久的將來(lái)就會(huì)批準(zhǔn)，來(lái)自Linux內(nèi)核的支持工作也在推進(jìn)中。

小結(jié)

RISC-V作為一個(gè)尚處于發(fā)展初期的架構(gòu)，在某些方面確實(shí)還有不及其前輩x86和ARM的地方，我們這次從性能監(jiān)控上就能看出一些端倪，但RISC-V自身的特性也為它帶來(lái)了不小的優(yōu)勢(shì)。

首先，RISC-V是站在巨人的肩膀上發(fā)展的，它可以有效地規(guī)避以上那些架構(gòu)走錯(cuò)的老路。其次，開(kāi)源開(kāi)放讓RISC-V有了龐大的社區(qū)支持，像以上這些解決方案，其實(shí)已經(jīng)被多次提及，來(lái)自社區(qū)的力量勢(shì)必可以讓RISC-V走得更遠(yuǎn)。