ARM64架构下PMCCNTR频率与CPU频率不匹配的原因及解决方法

问题场景 #

在树莓派3B+上尝试测量单条指令的CPU周期，已通过以下内核态代码启用用户态对PMCCNTR的访问：

static inline u32 armv8pmu_pmcr_read(void)
{
    u64 val=0;
    asm volatile("mrs %0, pmcr_el0" : "=r" (val));
    return (u32)val;
}

static inline void armv8pmu_pmcr_write(u32 val)
{                                                                                                     
    val &= 0x3f;
    isb();
    asm volatile("msr pmcr_el0, %0" : : "r" ((u64)val));
}

static inline void enable_cpu_counters(void* data)
{
    asm volatile("msr pmuserenr_el0, %0" : : "r"(0xf));
    armv8pmu_pmcr_write((1 << 6) | (1 << 0));
    asm volatile("msr PMCNTENSET_EL0, %0" :: "r" ((u32)(1 << 31)));
    armv8pmu_pmcr_write(armv8pmu_pmcr_read() | (1 << 0) | (1 << 6));
    asm volatile("isb");
    asm volatile("msr pmccfiltr_el0, %0" :: "r" (1 << 27));
    printk("\nCPU:%d ", smp_processor_id());
}

static inline void enable_pmu_pmccntr(void)
{
    on_each_cpu(enable_cpu_counters, NULL, 1);
    printk(KERN_INFO "Enable Access PMU Initialized");
}

同时通过config.txt固定CPU频率为1GHz：

arm_freq=1000
over_voltage=4
core_freq=500
force_turbo=1

使用以下测试代码验证时，发现计数器增长值与cntfeq（系统计数器频率）一致，而非CPU的1GHz：

int main()
{
    u64 begin,end;
    
    begin = arch_counter_get_cntpct();
    sleep(1);
    end= arch_counter_get_cntpct();
    
    printf("The count is %llu.\n",end-begin);

    return 0;
}

原因分析 #

1. 测试代码混淆了计数器类型
   arch_counter_get_cntpct()读取的是系统计数器（CNTPCT_EL0），这个计数器的频率由cntfeq定义，是固定的系统时钟频率，和CPU核心频率无关。需要读取的是PMU的周期计数器PMCCNTR_EL0，而非系统计数器。

2. PMCCNTR默认时钟源为系统时钟
   树莓派3B+搭载的Cortex-A53架构中，PMCCNTR的时钟源由PMCR_EL0寄存器的D位（第3位）控制：

   • D=0（默认）：计数器使用系统时钟（与cntfeq一致）
   • D=1：计数器使用CPU核心时钟（与arm_freq一致）
     当前代码未配置D位，因此PMCCNTR默认使用系统时钟，即使正确读取，计数频率也不会匹配CPU频率。

解决方法 #

1. 修正测试代码：读取PMCCNTR而非系统计数器 #

在用户态实现读取PMCCNTR_EL0的函数：

static inline u64 read_pmccntr(void)
{
    u64 val;
    // 读取PMCCNTR_EL0寄存器
    asm volatile("mrs %0, pmccntr_el0" : "=r"(val));
    return val;
}

同时替换测试代码中的计数器读取函数，并且避免使用sleep()（sleep会让CPU进入休眠状态，若使用CPU核心时钟，计数器会停止计数），改用忙等测试：

int main()
{
    u64 begin, end;
    
    begin = read_pmccntr();
    // 忙等一段时间，确保CPU保持运行
    for (volatile int i = 0; i < 100000000; i++);
    end = read_pmccntr();
    
    printf("The count is %llu.\n", end - begin);
    return 0;
}

2. 修改PMU配置，让PMCCNTR使用CPU核心时钟 #

修改enable_cpu_counters函数中armv8pmu_pmcr_write的参数，添加D位（1<<3）的配置：

static inline void enable_cpu_counters(void* data)
{
    asm volatile("msr pmuserenr_el0, %0" : : "r"(0xf));
    // 配置PMCR_EL0：设置D位（使用CPU核心时钟）、E位（启用计数器）、C位（复位计数器）
    armv8pmu_pmcr_write((1 << 6) | (1 << 3) | (1 << 0));
    asm volatile("msr PMCNTENSET_EL0, %0" :: "r" ((u32)(1 << 31)));
    // 再次写入时保留D位
    armv8pmu_pmcr_write(armv8pmu_pmcr_read() | (1 << 3) | (1 << 0) | (1 << 6));
    asm volatile("isb");
    asm volatile("msr pmccfiltr_el0, %0" :: "r" (1 << 27));
    printk("\nCPU:%d ", smp_processor_id());
}

这里(1<<3)就是设置D位，让PMCCNTR使用CPU核心时钟。

3. 验证配置生效 #

重新编译内核模块并加载，运行测试代码，此时计数器增长值应接近CPU频率（1GHz）乘以忙等时间，比如100000000次循环大约对应0.1秒，计数器增长约100M左右。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Lqs66