基于MIPS架構(gòu)的軟件性能探究工具

文/梁成豪

1 引言

如今，高級語言（如C語言）已經(jīng)成為大量被應(yīng)用于系統(tǒng)、應(yīng)用軟件的開發(fā)。軟件的性能好壞在對其進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用時在設(shè)計(jì)極差的地方可以被宏觀的觀察出來，但是也很難定位到問題所在，即便是可以定位到問題所在，也很難分析得很細(xì)微以達(dá)到對軟件相應(yīng)設(shè)計(jì)較差的代碼進(jìn)行改進(jìn)的目的。如今有一些軟件性能分析工具如linux的perf，以及C語言庫頭文件中也有類似的函數(shù)和相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但是perf無法做到精確統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程序每行代碼是否有cache miss等有損性能地方也很難精確計(jì)算執(zhí)行時間，文章[1]中在龍芯2F中設(shè)計(jì)的perf軟硬件，也只是更貼近理論值。因?yàn)槌嗽搼?yīng)用程序，計(jì)算機(jī)中總是有其它程序來運(yùn)行，可以近乎完全認(rèn)定它們對該應(yīng)用程序運(yùn)行產(chǎn)生了影響，例如它們的運(yùn)行污染了cache，甚至加將此應(yīng)用程序的內(nèi)容從cache中踢出；而對于中關(guān)于時鐘周期數(shù)的統(tǒng)計(jì)，它們?nèi)匀皇莾?nèi)嵌于程序內(nèi)的，毫無疑問會污染整個程序運(yùn)行的運(yùn)行。此外，對于一些常量的限定，比如CLOCKS_PER_SEC，對于時間計(jì)算更是一個誤差所在。因?yàn)樗鼈兒雎粤酥T如DVFS之類的硬件層面對CPU狀態(tài)的改變。

實(shí)際上，實(shí)際系統(tǒng)中很難有完全精確的工具來對應(yīng)用程序的性能進(jìn)行不間斷的精確追蹤。這樣的精確追蹤。而計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真器是一個很好的解決方案。

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真器主要是用來在系統(tǒng)層面探究和優(yōu)化計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的工具。通常而言，它們詳細(xì)建模了某一計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部部件，諸如CPU執(zhí)行部件、cache等。軟件通過編譯可以在仿真工具上進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行之后仿真器給出運(yùn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，從而驗(yàn)證軟件在某一組體系結(jié)構(gòu)參數(shù)（通常包括cache相聯(lián)性、內(nèi)存讀寫端口數(shù)等）的性能。本文利用SimpleScalar（SS）為基礎(chǔ)來開發(fā)MIPS架構(gòu)軟件性能探究工具。

2 工具及可執(zhí)行文件格式簡介

2.1 SimpleScalar簡介

SS是由Todd Austin開發(fā)的一個用于模擬計(jì)算機(jī)體積結(jié)構(gòu)諸如計(jì)算單元、緩存與內(nèi)存系統(tǒng)、分支猜測等部件在內(nèi)的開源仿真器。它本身攜帶了幾個處理器模型，仿真速度從快到慢，精度從低到高依次有sim-fast、simsafe、sim-prof i le、以及sim-outorder等。本文以sim-outorder作為依托，因?yàn)槠淠M程度最詳細(xì)，囊括了整數(shù)、浮點(diǎn)寄存器、2級可配置cache、哈佛架構(gòu)并且擁有亂序執(zhí)行部件、預(yù)測執(zhí)行部件等現(xiàn)代處理器常見架構(gòu)。流水線方面，它詳細(xì)模擬了MIPS諸如取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和回寫在內(nèi)的5級流水。

對于sim-outorder來講，SS以ruu_fetch()、ruu_dispatch()、ruu_commit()等幾個關(guān)鍵函數(shù)實(shí)現(xiàn)5級流水。在指令解碼方面，machine.def文件以宏定義的方式匯集了每個指令的指令名稱、指令碼、執(zhí)行方式、涉及功能部件等信息。

2.2 可執(zhí)行文件格式ss-coff-X

可執(zhí)行文件的格式標(biāo)識了可執(zhí)行文件的類型，不同的語言以及不同的執(zhí)行環(huán)境一般會產(chǎn)生不同類型的可執(zhí)行文件。如Linux平臺下可執(zhí)行文件格式主要有兩種：ELF和COFF。前者是現(xiàn)今Linux平臺下最為流行的可執(zhí)行文件格式，通常由GCC編譯的可執(zhí)行文件，其格式就是ELF。系統(tǒng)通常系統(tǒng)根據(jù)文件頭頭幾個字節(jié)來區(qū)分兩者的不同。而ECOFF格式是應(yīng)用于MIPS的可執(zhí)行文件格式。SS所應(yīng)用的是一種和ECOFF兼容的可執(zhí)行文件格式。

3 性能探究工具設(shè)計(jì)

C語言是高級語言，通常情況下，每句C語言最終都被編譯為不止一句匯編語言。要完成C每行代碼和程序計(jì)數(shù)器（PC）的對應(yīng)，首先就要完成C語言和匯編語言的對應(yīng)。

3.1 二進(jìn)制文件信息的提取

SS支持的是ECOFF格式的可執(zhí)行為文件，因此要下載其自己的binutils工具鏈來完成。可以在編譯應(yīng)用程序時加上-g選項(xiàng)來進(jìn)行編譯。在編譯之后，利用objdump命令對.o文件進(jìn)行處理，并加入--disassemble選項(xiàng)進(jìn)行反匯編，-l進(jìn)行行數(shù)顯示，--source進(jìn)行源代碼顯示。將產(chǎn)生的文件導(dǎo)入新的文件，這個文件就記錄了C代碼行號和匯編代碼的對應(yīng)關(guān)系。由于文件顯示信息過多，利用額外的程序?qū)υ撐募M(jìn)行正則匹配處理，之拿出行號和匯

編操作碼的對應(yīng)即可?？紤]到后面的需要，只需要提取出來匯編指令操作碼即可。

3.2 匯編指令和PC的對應(yīng)信息提取

SS的指令由64位構(gòu)成。前32位是操作碼，后32位是操作數(shù)。分別由8個16進(jìn)制數(shù)表示。ECOFF將可執(zhí)行文件分為.text、.rdata、.data、.sdata、.sbss和 .bss六個段。其中 .text段表示代碼段；.rdata表示只讀的數(shù)據(jù)段；.data段表示已被初始化的可讀寫數(shù)據(jù)段；.sdata表示；.sbss表示；.bss表示未初始化的數(shù)據(jù)段。

SS在加載可執(zhí)行文件的時候。首先會讀取可執(zhí)行文件的文件頭信息，里面涵蓋了7個信息，其中包含了魔數(shù)（f_magic）、段的個數(shù)（f_cscns）、文件建立時間（f_timdat）、符號表相對于文件的偏移量（f_symptr）、符號表?xiàng)l目個數(shù)（f_nsyms）、可選頭部長度（f_opthdr）以及文件標(biāo)志（f_flags）。

除此之外，還有可選文件頭以及各個段的頭。每個段的頭所涵蓋的10個信息有：

段名稱（s_name）；段物理地址（s_paddr）；段虛擬地址（s_vaddr）；段大?。╯_size）；段數(shù)據(jù)相對于文件的偏移量（s_scnptr）；重定位信息偏移量（s_relptr）；行信息偏移量（s_lnnptr）；重定為條目數(shù)（s_nreloc）；行信息條目數(shù)（s_nlnno）；標(biāo)志（s_flags）。

要拿到匯編操作碼和PC指針的對應(yīng)關(guān)系，需要分析TEXT段的內(nèi)容。由于SS是以s_vaddr為基礎(chǔ)將代碼段整體放入仿真器內(nèi)存的，因此首先根據(jù)s_flags定位到TEXT段，然后在另一個文件中記錄出每8個字節(jié)提取前4個字節(jié)作為匯編操作碼，以及與此相對應(yīng)的PC值（即每個指令對應(yīng)的s_vaddr的值）。這樣可以得到操作碼和PC指針的對應(yīng)關(guān)系文件。

在得到C代碼行數(shù)和匯編操作碼對應(yīng)的關(guān)系文件以及匯編操作碼和PC指針的對應(yīng)關(guān)系文件后，便可以得到C語言行數(shù)和PC指針的對應(yīng)關(guān)系。這樣的記錄方式是對可執(zhí)行文件和執(zhí)行環(huán)境沒有侵入的，即沒有在可執(zhí)行文件中加入任何的記錄標(biāo)志，同時也沒有對cache進(jìn)行數(shù)據(jù)污染。

3.3 每周期數(shù)據(jù)訪問統(tǒng)計(jì)信息提取

SS自帶有執(zhí)行過程各部件訪問統(tǒng)計(jì)，但是沒有每周期的數(shù)據(jù)，為了更好地分析可執(zhí)行文件的執(zhí)行過程，可以額外加入每周期的處理器各部件訪問統(tǒng)計(jì)。在每周期開始時，將統(tǒng)計(jì)變量設(shè)為初始值，然后在執(zhí)行過程中在程序不同地方進(jìn)行每個統(tǒng)計(jì)變量的加操作，在一周期執(zhí)行完畢后，將結(jié)果記錄，同時再將統(tǒng)計(jì)變量設(shè)為初始值，以便下個周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

在執(zhí)行的每個周期都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和記錄，這樣就形成了PC和統(tǒng)計(jì)量的對應(yīng)關(guān)系文件。

3.4 最終記錄方案

由于在此之前提取了每周期C語言行數(shù)和PC指針的對應(yīng)關(guān)系文件以及每周期PC指針和該周期處理器各部件訪問統(tǒng)計(jì)，因此可以最終得到記錄每周期C語言代碼和該周期處理器各部件訪問統(tǒng)計(jì)的文件。將此文件在MATLAB等工具中進(jìn)行可視化處理，便可以直觀分析軟件執(zhí)行過程中每行C語言代碼所造成的各部件訪問情況，從而達(dá)到指導(dǎo)軟件優(yōu)化的目的。

4 結(jié)論

由于現(xiàn)階段程序性能分析工具會侵入目標(biāo)程序的自身或者執(zhí)行環(huán)境，不能做到精確分析軟件自身的問題。為了給目標(biāo)分析程序提供一個非侵入式的純凈執(zhí)行環(huán)境以便更好地分析程序的執(zhí)行性能和瓶頸，本文以SimpleScalar仿真器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一個可以與匯編、C程序每執(zhí)行周期嚴(yán)格對應(yīng)的應(yīng)用程序性能分析工具。本文也提出了一個較好的方法，即利用原本用來進(jìn)行處理器體系結(jié)構(gòu)探索的仿真工具來進(jìn)行目標(biāo)指令集和架構(gòu)的軟件性能探索和研究。如果有其它指令集或架構(gòu)的周期精確體系結(jié)構(gòu)仿真器，利用此方法，依然可以探索該平臺下的軟件性能。

參考文獻(xiàn)

[1]徐恒陽,安虹,劉玉,周偉.Perf在龍芯2F上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2011,19(37):236-238.

[2]SimpleScalar Architectural Research Tool Set,version 3.0.www.simplescalar.com.

[3]俞甲子,石凡,潘愛民.程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載與庫[M].電子工業(yè)出版社,2009.