2. ARMv8体系结构基础

性能调优这件事，说白了就是「你得先知道瓶颈在哪」。ARMv8 的 PMU（Performance Monitors Unit）就是干这个的——它是一套硬件计数器，能帮你精确测量 CPU 内部的各种行为。我在做手机 SoC 调优时，经常靠它定位「为什么这个场景掉帧」或者「为什么功耗比竞品高」。今天我们就把它掰开揉碎，看看 PMU 到底怎么用。

PMU 寄存器概览

ARMv8 的 PMU 寄存器体系，我习惯把它分成三类：控制类、计数类、状态类。控制类决定「监控什么」，计数类记录「发生了多少次」，状态类告诉你「有没有溢出」。下面这张图能帮你快速建立整体认知：

事件计数器（PMEVCNTRn）

事件计数器是 PMU 的核心。ARMv8 通常提供 6 个通用事件计数器（PMEVCNTR0~PMEVCNTR5），每个都可以独立配置监控不同的事件。比如你可以让计数器 0 监控 L1 缓存缺失，计数器 1 监控分支预测错误，计数器 2 监控指令退休数。

配置事件计数器的步骤，我总结为三步走：

1. 选择计数器：通过 PMSELR 寄存器选择你要配置的计数器编号（0~5）。
2. 设置事件类型：通过 PMXEVTYPER 寄存器写入事件编号。比如 0x11 代表 L1 数据缓存缺失，0x1B 代表指令退休。
3. 使能计数器：通过 PMCNTENSET 寄存器置位对应 bit，计数器开始工作。

举个例子，我想监控 L1 数据缓存缺失：

// 选择计数器 0
MRS x0, PMSELR_EL0
AND x0, x0, #0xFFFFFFF8  // 清除低 3 位
ORR x0, x0, #0           // 选择计数器 0
MSR PMSELR_EL0, x0

// 设置事件类型为 L1D_CACHE_REFILL (0x11)
MOV x0, #0x11
MSR PMXEVTYPER_EL0, x0

// 使能计数器 0
MRS x0, PMCNTENSET_EL0
ORR x0, x0, #1
MSR PMCNTENSET_EL0, x0

周期计数器（PMCCNTR）

周期计数器是个特殊的存在。它只有一个，专门用来统计 CPU 运行的时钟周期数。为什么需要它？因为事件计数器只能告诉你「发生了多少次」，但不知道「花了多少时间」。有了周期计数器，你就能算比率——比如每周期执行了多少条指令（IPC）。

周期计数器默认是 64 位的，从 0 开始向上计数。它可以通过 PMCR 寄存器的 DP 位（Disable Cycle Counter）来控制是否在非调试状态下计数。嗯，这里要注意：如果你在调试器里单步执行，周期计数器默认是停止的，除非你设置了相应的调试权限。

读取周期计数器的代码很简单：

// 读取周期计数器
MRS x0, PMCCNTR_EL0
// 此时 x0 中就是当前的周期数

结合事件计数器，你可以算出很多有意义的指标：

指标	计算公式	说明
IPC（每周期指令数）	PMEVCNTR0(指令) / PMCCNTR	越高越好，反映流水线效率
CPI（每指令周期数）	PMCCNTR / PMEVCNTR0(指令)	越低越好，IPC 的倒数
缓存缺失率	PMEVCNTR1(缺失) / PMEVCNTR2(访问)	反映缓存命中情况
分支预测错误率	PMEVCNTR3(预测错误) / PMEVCNTR4(分支)	反映分支预测器效果

溢出中断（Overflow Interrupt）

计数器是 32 位或 64 位的，但总会计满。计满之后怎么办？ARMv8 提供了溢出中断机制。当计数器从最大值回绕到 0 时，会置位 PMOVSR（Overflow Status Register）中对应的 bit。如果你提前在 PMINTENSET 中使能了中断，就会触发 IRQ。

溢出中断的典型应用场景有两个：

• 长时间采样：你想统计一段长时间内的总事件数，但计数器可能溢出多次。每次溢出时记录一次，最后累加。
• 性能采样（Perf Sampling）：比如每溢出 10000 次 L2 缓存缺失，就记录一次 PC 和调用栈，用来分析热点。

处理溢出中断的流程，我建议你这样写：

// 中断服务例程（伪代码）
void pmu_irq_handler() {
    uint64_t ovsr;

    // 1. 读取溢出状态
    MRS ovsr, PMOVSR_EL0;

    // 2. 检查是哪个计数器溢出
    if (ovsr & (1 << 0)) {
        // 计数器 0 溢出，记录或累加
        total_events += (1ULL << 32);  // 假设是 32 位计数器
        // 3. 清除溢出标志
        MSR PMOVSR_EL0, (1 << 0);
    }

    if (ovsr & (1 << 31)) {
        // 周期计数器溢出（bit 31 是周期计数器的溢出位）
        total_cycles += (1ULL << 64);  // 64 位计数器
        MSR PMOVSR_EL0, (1 << 31);
    }

    // 4. 写 EOI（End of Interrupt）到中断控制器
    // 具体写法取决于 GIC 版本
}

PMU 的使能与配置流程

最后，我把 PMU 的完整使能流程整理成一个清单，方便你对照操作：

1. 使能 PMU 本身：设置 PMCR_EL0 的 E 位（bit 0）为 1。
2. 配置事件计数器：通过 PMSELR + PMXEVTYPER 设置每个计数器监控的事件。
3. 使能计数器：通过 PMCNTENSET 置位对应 bit。
4. 使能周期计数器：通过 PMCNTENSET 置位 bit 31（周期计数器使能位）。
5. 使能溢出中断（可选）：通过 PMINTENSET 置位对应 bit。
6. 配置中断控制器：在 GIC 中使能 PMU 的 PPI 中断（中断 ID 通常为 23）。
7. 开始测量：读取 PMCCNTR 和 PMEVCNTRn 的初始值。
8. 结束测量：再次读取计数器值，做差值计算。