ARMv8的精确测量时钟周期

原创

已于 2023-07-26 16:40:17 修改 · 3k 阅读

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

于 2021-12-27 01:00:50 首次发布

本文详细介绍了在ARMv8架构中如何使用时间戳计数器（TSC）和通用计时器来精确测量时钟周期。通过读取系统计数器的固定频率和值，然后结合CPU频率或倍频计算出CPU时钟周期。同时，文中给出了具体的ARM汇编指令用于读取相关计数器，并展示了不同计算方法。

TSC是Time Stamp Counter（时间戳计数器）的缩写，它是 Inter X86 架构上的一个计数器，它记录自启动以来处理器消耗的时钟周期数。

在每个时钟到来时，该计数器自动加一。

因为 TSC 随着处理器周期速率的变化而变化，所以它提供了非常高的精确度。它经常被用来分析和检测代码。

TSC 的值可以通过在X86指令rdtsc指令来读取。

在X86上的内联汇编实现如下：

uint64_t Rdtsc(void) 
{
   
    
	uint32_t lo, hi;

	__asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));

	return (uint64_t)hi << 32 | lo;
}

通用计时器（ARM Generic Timer）为 ARM 内核提供了一个标准化的计时器框架。通用计时器包括一个系统计数器（a System Counter）和一组单核计时器（a set of per-core timers），如下图所示：

在这里插入图片描述

系统计数器是一种常开设备，提供固定频率的递增计数（其计数频率和CPU主频无关）。系统计数器的计数值通过广播到系统中的每一个内核中，从而使内核对时间的流逝有一个共同的看法。其频率通常等于CPU外部时钟频率。

每个核心都有一组计时器（Each core has a set of timers）。这些计时器是作为比较器存在的，用来与系统计数器所广播值进行比较。软件可以配置计时器用来在将来的设定点产生中断或事件。软件还可以使用系统计数器值来添加时间戳，因为系统计数为所有内核提供了一个公共参考点。

注意

通用计时器仅测量时间的流逝。它不报告时间或日期。通常，SoC也会包含一个实时时钟（RTC）来表示时间和日期。

设系统计数器的值为 $N$ ，其固定频率为 $f$ ，则精确流逝的时间 $t$ （单位：秒）是：

$t=\frac{N}{f}$