--- title: ARM-Linux categories: embedded, arm, cortex-a, cortex-a8, linux, arm-linux,lmbench ... 協作者 ------ * 2015 年春季 - 洪文麟, 蔣亞翰, 邱酩仁, 張家榮, 顧又榮 共筆 ---- * 2015 年春季: `hackpad `_ 硬體及測試平台 ------------------------------------------------ - 電腦端: - Intel i5/i7 - Ubuntu 14.10 64 bit - Lubuntu 14.10 64 bit - 測試硬體: - BeagleBone Black: - ARM Cortex A8 - AM3358 - 測試平台: - arm-Linux - `Angstrom`_ - Kernel version:3.8 編譯arm-Linux(Angstrom)給BeagleBone Black ------------------------------------------------ - Environment .. code-block:: txt $sudo apt-get install zlib1g-dev libsdl1.2-dev build-essential ddd cpio libncurses5-dev u-boot-tools $sudo apt-get install lib32gcc1 ( 64-bit required) $sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi $sudo apt-get install lzop - 切割SD card - `mkcard.sh`_ - $sh –x `mkcard.sh`_ /dev/sdX;X為主機內看到的sd 卡掛載點 ex.sdb - Bootloader .. code-block:: txt 抓source檔 $ git clone git://git.denx.de/u-boot.git $ cd u-boot/ $ git checkout v2015.01 -b tmp 下載一個屬於am335x的環境patch檔 $ wget -c https://raw.githubusercontent.com/eewiki/u-boot-patches/master/v2015.01/0001-am335x_evm-uEnv.txt-bootz-n-fixes.patch 編譯 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- distclean make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- am335x_evm_defconfig make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j4 - Kernel .. code-block:: txt 抓source檔 $ git clone git://github.com/beagleboard/kernel.git $ cd kernel $ git checkout 3.8 $ ./patch.sh ##This step may take 10 minutes or longer 編譯 $ cp configs/beaglebone kernel/arch/arm/configs/beaglebone_defconfig $ wget http://arago-project.org/git/projects/?p=am33x-cm3.git\;a=blob_plain\;f=bin/am335x-pm-firmware.bin\;hb=HEAD -O kernel/firmware/am335x-pm-firmware.bin $ cd kernel $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- beaglebone_defconfig $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- uImage dtbs $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- uImage-dtb.am335x-boneblack $ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- modules -j4 - uEnv.txt .. code-block:: txt mmcroot=/dev/mmcblk0p2 rw mmcrootfstype=ext4 rootwait console=ttyO0,115200n8 kernel_file=zImage fdtfile=am335x-boneblack.dtb loadaddr=0x80008000 fdtaddr=0x88000000 initrd_high=0xffffffff fdt_high=0xffffffff ipaddr=192.168.0.25 serverip=192.168.0.20 rootpath=/home/andy/beaglebone/nfs loadfdt=fatload mmc 0:1 ${fdtaddr} ${fdtfile} loadkernel=fatload mmc 0:1 ${loadaddr} ${kernel_file} #boot from nfs #netargs=setenv bootargs console=${console} ${optargs} root=/dev/nfs nfsroot=${serverip}:${rootpath},${nfsopts} rw ip=${ipaddr}:${serverip}::255.255.255.0: #netboot=echo Booting from network ...;run netargs; bootz ${loadaddr} - ${fdtaddr} #uenvcmd=run loadkernel;run loadfdt;run netboot; #boot from sdcard loadfiles=run loadkernel; run loadfdt uenvcmd=mmc rescan;run loadkernel;run loadfdt; run fdtboot fdtboot=run mmc_args; bootz ${loadaddr} - ${fdtaddr} mmc_args=setenv bootargs console=${console} root=${mmcroot} rootfstype=${mmcrootfstype} - Filesystem .. code-block:: txt 到此網站抓取檔案系統 : http://downloads.angstrom-distribution.org/demo/beaglebone/ 選擇 : Angstrom-systemd-image-eglibc-ipk-v2012.12-beaglebone-2013.09.12.rootfs.tar.xz $tar –Jxvf Angstrom-systemd-image-eglibc-ipk-v2012.12-beaglebone-2013.09.12.rootfs.tar.xz - 將此filesystem放入rootfs磁區 - 將以下檔案放入到boot磁區 - uEnv.txt - MLO - u-boot.img - zImage({kernel}/arch/arm/boot/zImage) - am335x-boneblack.dtb({kernel}/arch/arm/boot/dts/am335x-boneblack.dtb) Lmbench 3.0 測試方法分析 ------------------------------------------------ - 簡介 - Lmbench 3 是一套可移植性高的benchmark，由許多小的benchmark module組成，具有不少測試功能 - Bandwidth benchmarks - Cached file read - Memory copy (bcopy) - Memory read - Memory write - Pipe - TCP - Latency benchmarks - Context switching. - Networking: connection establishment, pipe, TCP, UDP, and RPC hot potato - File system creates and deletes. - Process creation. - Signal handling - System call overhead - Memory read latency - Miscellanious - Processor clock rate calculation - 簡易說明lmebnch測量latency方式: - repetition - (執行"repetition次"結果的加總，在除以"repetition次")，就當作"這次"測量的結果 - 一次的測試，latency = (執行時間/iterations) - iterations為`mhz benchmark`_測量，故不是定值，用以確保執行時間夠長，具有代表意義。 - 執行時間不同當然是因為硬體不同所造成，然而影響最多的就是CPU架構，為了量測出準確的執行時間，必須將不確定因素降到最低，且時間與時脈(倒數關係)息息相關。 - GCD法(最大公因數)，必須挑選互相有相依性的指令，因為pipeline的關係，導致cycles變少，且必須防止compiler優化，導致指令不按照預期執行: .. code-block:: txt 如果一個CPU時脈為120Mhz，且執行以下兩個指令 1. SHR (2 cycles) 2. SHR;ADD (3 cycles) 如果執行時間為: 1. SHR 11.1ns (2 cycles) 2. SHR;ADD 16.6ns (3 cycles) 可以看出average CPI = 1.5 GCD 為 5.55ns，平均一個指令執行1.5*5.55ns , 其倒數(1/1.5*5.55)即為120Mhz，與原先假設相同 compiler的優化例子: a+=a; // ADD optimized to a=0 a&=a; // AND optimized away completely a^=a; // XOR optimized to a=0 a+=b; // ADD optimized to a+=b+b+b+… 因此mhz挑選了9組指令: 1. p=*p; 2. a^=a+a; 3. a^=a+a+a; 4. a>>=b; 5. a>>=a+a; 6. a^=a<`_，是150ms) .. code-block:: c #define BENCH_INNER(loop_body, enough) { \ static iter_t __iterations = 1; \ int __enough = get_enough(enough); \ iter_t __n; \ double __result = 0.; \ \ while(__result < 0.95 * __enough) { \ start(0); \ for (__n = __iterations; __n > 0; __n--) { \ loop_body; \ } \ __result = stop(0,0); \ if (__result < 0.99 * __enough \ || __result > 1.2 * __enough) { \ if (__result > 150.) { \ double tmp = __iterations / __result; \ tmp *= 1.1 * __enough; \ __iterations = (iter_t)(tmp + 1); \ } else { \ if (__iterations > (iter_t)1<<27) { \ __result = 0.; \ break; \ } \ __iterations <<= 3; \ } \ } \ } /* while */ \ save_n((uint64)__iterations); settime((uint64)__result); \ } `參考資料`_ Context Switch Latency on BeagleBone Black(Linux) ----------------------------------------------------- - 取得lmbench並編譯給BBB(arm-linux) - 由於lmbench 3已經很久沒有更新，lmbench-next為基於Linux的優化開源專案，並不保證能夠正常運作於non-Linux system .. code-block:: txt git clone https://github.com/el8/lmbench-next.git cd lmbench-next make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- Context Switch Latency 測試理論 ================================================= **Abstract Machine Model:** .. image:: /embedded/arm_linux/Abstract_Machine_Model_1.png - 方程式(1): - TA,M: <程式A>在<機器M>上執行的總時間 - Ci,A（數量）: <程式A><指令i>的執行次數 - Pi,M（時間）: <指令i>在<機器M>上的執行時間 .. image:: /embedded/arm_linux/Abstract_Machine_Model_2.png - 方程式(2):(多了cahce/TLB miss) - Fi,A (faults):為記憶體階層的第i層的miss次數 - Di,M (delay):每次miss所付出的懲罰 **論文實驗方法:** - 測試參數: - Stride: s - Array size : one-dimensional array of N k-bytes - Cache/TLB size: C k-bytes - Cache Line size:b words - Cache Associativity: a - 基本假設: - 只有L1 cache - Instruction Cache與Data Cache為獨立的 - Data Cache可用Virtual Address(以後皆稱VA)定址:意思就是記憶體為"連續的區域" - 子集合的基本單位(by sequence number): 1, s + 1, 2s + 1, ..., N - s + 1. - Cache更新的機制為write-through - Tno-miss可能包含處理器被強制等待write buffer back up的時間 **論文實驗分類與討論:** .. image:: /embedded/arm_linux/tlb_experiment_table.png - REGIME 1: - N <= C - C為cache的容量 - N為array size - 只要array被載入，就不再有cache miss出現，也就是永遠只有第一次載入時，會有cache miss - 每次遞迴的執行時間(Tno-miss)包含讀取一個Array的子集合的基本單位(stride),計算,以及將結果存回Cache - REGIME 2.a : - array比cahce size大，所以一次沒有辦法全部讀進cahce - stride比line size小，所以取一次array不一定會超過cache的大小，會有s/b次miss - b/s個連續存取到同一個 cache line. - 第一次載入array，總是Cache miss,REGIME 2 三種討論皆是如此，不再重述。 - 因此執行時間為Tno-miss + D*s/b ;D為delay penalty(代表從主記憶體讀取資料然後恢復執行的時間) - 現代的cache不以byte為單位了，以cache line為一次抓取資料的單位，故2.a方法已經不再討論，也無法驗證，但是可以驗證line size(如參考資料1的example 2) - `參考資料1`_ - `參考資料2`_ - REGIME 2.b : - Array size 比 cache容量大 - stride比line size大(意思是每次都會miss) - stride比array size小 - 每次遞迴都會有cache miss,也就是說每個Array的子集合的基本單位(stride)對應到一個不同的cache line. - 每次遞迴的執行時間為Tno-miss + D - REGIME 2.c : - array size比cache大 - stride介於array size 的1/2~1倍,所以第一次沒有讀進來的array，就再也讀不到了 - 記憶體位置映射到一個單位子集合的次數一定少於associativity,也就是這個情況下(2.c)，除了第一次載入Array會有miss之外，就沒有miss了 - 如果array有N elements,只有N/s < a可以被實驗到,且他們個別都可以被放入一個單一的子集合(stride),也就是說N/a <= s. - 每次遞迴的執行時間為Tno-miss - 結論 - TLB的行為可視為與Cache一樣 - Cache/TLB size可藉由測試，當發現Latency time大幅上升時，藉由比較array size(實際上的情況下面會談到)可以知道，因為D(cache miss penality)通常大於Tno-miss - Regime 2.a與2.b相較於2.c方法，可以用來解釋為什麼在`維基百科 wiki :CPU cache`_ 中，有一張圖及內容談到當cache associativity(也就是a)越大時，miss rate越小。 .. image:: /embedded/arm_linux/tlb_wiki_associativity.png - 參考資料： - `Measuring cache and TLB performance and their effect on benchmark runtimes`_ - `整理這篇論文的過程`_ Context Switch Latency 理論與實際的結合 ================================================= - BBB的AM3358: .. image:: /embedded/arm_linux/BBB_hardware_1.png - L1 Data Cache與Instruction Cache互相獨立，均為32KB - L2 Cache為256KB .. image:: /embedded/arm_linux/BBB_hardware_2.png **對應"Context Switch Latency 測試理論"** .. image:: /embedded/arm_linux/partical_theory.png .. image:: /embedded/arm_linux/partical_theory_2.png Context Switch Latency 實驗過程 ================================================= - 因為Linux無法關閉L2 cache，且要將其他程式對cache的影響降到最低，使用sync及drop_caches - sync && echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches - 但還是有些許影響，因為清完cache後，Linux還是有其他程式使用cahce，無法避免 **shell script for 巨觀** .. code-block:: txt #!/bin/sh WARMUPS=0 REPETITIONS=11 CTX="0 2 4 8 16 24 32" N="2 4 6 8 10 12 16 24 32 48 64 72 96" set -x for size in $CTX do #flush cache sync && echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches bin/arm/lat_ctx \ -W $WARMUPS -N $REPETITIONS -s $size $N done echo "" 1>&2 **shell script for 微觀** .. code-block:: txt #!/bin/bash WARMUPS=0 REPETITIONS=11 CTX="2 4 8 16 24 32" N="2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35" file_dest="./test_results/" extension="k.txt" mkdir -p $file_dest set -x for size in $CTX do for pnumber in $N do RUN="bin/arm/lat_ctx -W $WARMUPS -N $REPETITIONS -s $size $pnumber" #flush cache sync && echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches file=$file_dest$size$extension if test -s $file then $RUN >> $file 2>&1 else $RUN > $file 2>&1 fi done done echo "" 1>&2 Context Switch Latency 實驗結果 及 分析 ================================================= **折線圖可由斜率， 得到rate of time to Size(process number * process size)，斜率突然暴增就是cache miss開始發生** **長條圖可直接比較Y軸(時間)，發現cache miss開始** - L1 cache miss - 採用Harvard architecture(data/instruction cache分開)，分析起來相對於L2 cache容易 - 巨觀 .. image:: /embedded/arm_linux/2k_Macroscopic.png - 理論推算表格(僅取部分，作為代表，可依此類推) .. image:: /embedded/arm_linux/partical_theory_2k_table.png - 微觀折線圖 .. image:: /embedded/arm_linux/2k_Microcosmic.png - 微觀長條圖-相較於折線圖，可以更明顯看到，當process number接近16(2k*16=32k,用接近是因為可能有其他程式也使用L1 cache)時，latency大幅上升 .. image:: /embedded/arm_linux/2k_Microcosmic_histogram.png - L2 cache miss - 由於L2 cahce採用von Neumann architecture(與L1 cache不同！)，將data與instruction混合，不易分析，不過我們可以由實驗結果，看出一些端倪。 - process size=24k與32k之長條圖比較 .. image:: /embedded/arm_linux/24k_32k_histogram.png - process size=24k與32k之折線圖比較 .. image:: /embedded/arm_linux/24k_32k.png - 由以上2組比較圖，可以看出 - process size=24k時，process number=8,N=24*8=192，latency大幅上升，合理推測這時候L2 cache miss - process size=32k時，process number=5,N=32*5=160，latency大幅上升，合理推測這時候L2 cache miss - 這個範圍的變動除了L2 cache除了有其他程式使用外，相較於L1的單純，還要多考慮Instruction的影響。 - 巨觀整體趨勢圖 .. image:: /embedded/arm_linux/lat_ctx_all_Macroscopic.png - 微觀整體趨勢圖 .. image:: /embedded/arm_linux/lat_ctx_all_Microcosmic.png **Context Switch Latency 結論** - 當(process size)*(process number)+(other program cache) > 32kb(L1 cache size) - 比較=32kb與下一筆稍大於32kb的數據和下下一筆稍大於32kb的數據可以發現latency time是可以看出latency時間增幅會比較大的趨勢 - L1 cache miss penality影響甚巨。 - 當(process size)*(process number)+(other program cache)+(Instruction cache affect) > 256kb(L2 cache size) - 相較於L1 cache的Harvard architecture，採用von Neumann architecture的L2確實比較難以測試出L2 cache的大小，但仍可看出，L2 cache miss的penality不容小覷，比L1 cache miss penality影響更多。 - 可以從整體趨勢發現，當N(process number * process size)大到某個程度後，latency的時間就趨近於固定的數字 - 可以看出如果process size越大，會越早到達"飽和"(就是比較快到他最終趨近的latency time) - 注意事項： - 這個測試必須注意BBB的散熱，吹冷氣＋電風扇才不會造成異常結果。 System Call Latency on BeagleBone Black(Linux) ------------------------------------------------ Unix Latency on BeagleBone Black(Linux) ------------------------------------------------ - Lmbench3 lat_unix: - lat_unix - 測量interprocess communication latency透過UNIX sockets - "hot potato" benchmark - benchmark不斷的在2個process間來回傳遞message - process裡面沒有做任何事情 -測量出的數據( 第一欄為message size,第二欄為latency ) .. code-block:: txt 0 3.9333 1 45.2623 2 45.3115 3 45.5246 4 45.4098 5 45.5410 6 45.5702 7 45.5246 8 45.7870 10 45.5000 12 45.5289 16 45.7156 20 45.6694 24 45.7523 32 45.7870 48 46.1574 64 45.9752 96 45.9091 128 46.0965 196 46.2689 256 46.4434 384 46.6555 512 47.1887 .. image:: /embedded/arm_linux/lat_unix_LMA_RMI.png 左邊為巨觀，右邊為微觀，可以看出斜率均趨近於0。 **結論** - 不論傳遞的message多大(除了0之外)，overhead都大約是46 microseconds Memory Read Latency on BeagleBone Black(Linux) ------------------------------------------------ Ftrace ------------------------------------------------ KernelShark ------------------------------------------------ Linux Kernel Timer Interrupt ------------------------------------------------ Linux Scheduler 行為分析 ------------------------------------------------