使用perf工具观察计算机上中断的分布情况

A.2.1 思路

使用irq_handler_entry跟踪事件记录一段时间内的中断触发情况,使用perf script命令可以得到采样的CPU编号和触发的IRQ编号信息。然后通过python脚本简单的提取这两条信息将分布情况显示出来即可。

A.2.2 操作

CPU为Intel 11400, 操作系统为Ubuntu 20.04,内核版本5.15.87。

首先使用perf record命令抓取5秒钟的irq:irq_handler_entry事件。

得到一个perf.data文件。然后使用perf script命令解读。

之后编写一个简单(非常粗糙)的python脚本简单分析一下分布情况。

  1. #!/usr/bin/python3  
  2.   
  3. import sys  
  4. import numpy  as np  
  5. import pandas as pd  
  6. import matplotlib.pyplot as plt  
  7.   
  8. # ----------------------------------------  
  9. # main  
  10. # ----------------------------------------  
  11. def main(argv):  
  12.   
  13.     # Request a new array.  
  14.     Array = np.empty([0, 2], dtype=int)  
  15.   
  16.     # Open script file.  
  17.     ScriptFile = open("./perf.script")  
  18.   
  19.     Sample = ScriptFile.readline()  
### 一、实验报告撰写结构概述 实验报告的撰写应当包括以下几个主要部分:**引言、实验原理、实验设计、实验步骤、实验结果与分析、结论、参考文献**。在本实验中,需要围绕高速缓冲存储器(Cache)的工作机制、程序访问局部性原理(Principle of Locality)以及中断程序设计(Interrupt Handling)三者之间的关系进行探讨和验证。 --- ### 二、实验背景与目的 高速缓冲存储器是现代计算机系统中用于缓解主存与处理器速度差异的重要硬件组件。程序访问局部性原理指出,程序在执行过程中倾向于重复访问某些内存区域(时间局部性)或连续访问相邻的内存地址(空间局部性)。这一特性使得缓存能够有效提升系统性能[^1]。 中断程序设计涉及对异步事件的响应机制,其执行效率直接影响系统的实时性和稳定性。在中断处理过程中,合理利用缓存局部性可以优化中断服务例程(ISR)的执行速度,从而提高整体系统响应能力[^3]。 --- ### 三、实验原理 #### 1. 高速缓冲存储器工作机制 高速缓存通过将频繁访问的数据从主存复制到更快的存储介质中来减少平均内存访问时间。缓存通常采用**组相联映射**或**全相联映射**方式,结合**替换策略**(如LRU)和**写回策略**(Write-back)来管理数据。 #### 2. 程序访问局部性原理 程序访问局部性分为: - **时间局部性**:最近被访问的数据很可能再次被访问。 - **空间局部性**:如果一个内存位置被访问,那么其邻近位置也可能很快被访问。 这两个特性决定了缓存命中率的高低,进而影响程序执行效率。 #### 3. 中断程序设计 中断机制允许处理器暂停当前任务以响应外部事件(如I/O完成、定时器触发等)。中断服务程序(ISR)的设计应尽量简洁高效,避免长时间占用CPU资源。在嵌入式系统中,中断响应时间和缓存命中率密切相关,因此需特别关注局部性优化。 --- ### 四、实验设计 #### 实验目标 - 分析中断处理过程中缓存命中/缺失情况; - 比较不同局部性程度的中断服务程序的执行效率; - 探索如何通过代码布局优化缓存利用率。 #### 实验环境 - 处理器架构:ARM Cortex-M系列或x86平台 - 编译工具链:GCC 或 Keil MDK - 调试工具:GDB + QEMU 或真实开发板 - 性能监控工具perfLinux)或内置计数器 #### 实验变量设置 - 变量A:中断频率(高/低) - 变量B:中断服务程序局部性程度(高/低) - 变量C:缓存大小(512KB / 1MB) --- ### 五、实验步骤 1. **编写两个中断服务程序 ISR_A 和 ISR_B**: - ISR_A 具有良好的局部性(访问少量局部变量、调用函数少); - ISR_B 局部性较差(频繁访问全局变量、调用多个子函数); 2. **配置中断源并启用性能计数器**: - 记录每个ISR执行期间的缓存命中次数、指令周期数等指标; 3. **运行测试**: - 在不同中断频率下分别运行 ISR_A 和 ISR_B; - 每次运行记录相关性能数据; 4. **数据采集与分析**: - 对比两种ISR在不同变量下的缓存命中率和执行时间; - 绘制图表展示变化趋势。 --- ### 六、实验结果与分析示例 假设实验数据显示: | ISR类型 | 缓存命中率 | 平均执行周期 | |--------|------------|--------------| | ISR_A | 92% | 1200 | | ISR_B | 67% | 2100 | 可以看出,具有更好局部性的 ISR_A 明显优于 ISR_B。这说明在中断程序设计中,遵循程序访问局部性原则有助于提高缓存命中率,从而缩短中断响应时间。 --- ### 七、结论 通过本次实验,可以得出以下结论: - 程序访问局部性对缓存性能具有显著影响; - 在中断程序设计中优化局部性可有效提升系统响应速度; - 合理安排中断服务程序的代码结构和数据访问顺序是提升系统性能的关键措施之一。 --- ### 八、建议与扩展实验方向 - 尝试在多核系统中观察缓存一致性对中断处理的影响; - 使用硬件性能计数器进一步细化缓存行为分析; - 引入预取机制(Prefetching)优化中断服务程序的局部性。 --- ### 示例代码片段 ```c #include <stdio.h> #include <stdint.h> // 定义两个不同的中断服务程序 void __attribute__((interrupt("IRQ"))) ISR_A(void) { static uint32_t count = 0; count++; } void __attribute__((interrupt("IRQ"))) ISR_B(void) { extern uint32_t global_data[1024]; for(int i=0; i<1024; i++) { global_data[i]++; } } ``` ---
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