揭秘ARM架構(gòu)對Linux調(diào)測特性的支持

一、淺談手機性能的可觀測性

1.概述

手機上的性能指標(biāo)是綜合的變化，由上圖可以看的出來手機更關(guān)注人跟機器的交互這，云系統(tǒng)則是比較關(guān)注機器跟機器的交互。

手機系統(tǒng)比較特別的地方在于資源都是比較受限，例如: 電量，性能…因此針對用戶體驗是需要特別庖丁解牛來建立指標(biāo)。

指標(biāo)(METRIC) -業(yè)界有特定的體驗度量模型，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品和服務(wù)中的問題及理解使用者的行為和偏好。

性能體驗度量是多層次，多個維度的，只用一項指標(biāo)去表征的所有性能特征是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

以上是幾個個常用指標(biāo)，這些指標(biāo)常常是互相搭配的例如Andrid近年常用的GSM+HEART。度量模型圍繞用戶使用的旅程，識別關(guān)鍵體驗路徑(KEP)，為不同接觸點分解出不同的性能指標(biāo)。

2.性能追蹤

實際上如何構(gòu)建手機可觀測性，我們都會采取分層次拆解，由上圖可以看的出來藉助于Android/Linux系統(tǒng)的生態(tài)系已經(jīng)有不少工具可以用于追蹤系統(tǒng)的信息。

性能追蹤在手機裝置面臨的挑戰(zhàn):

1、低開銷：不會降低用戶的體驗，因為手機資源是受限的所以如何有性的采集會是很大的考驗。

2、不可接觸：開發(fā)人員無法實時獲取使用者的故障第一現(xiàn)場信息，用戶很多操作行為都是不容易在現(xiàn)，因此識別關(guān)鍵體驗路徑會是開發(fā)的過程之一。

3、偶發(fā)性：低概率，不易復(fù)現(xiàn)(Heisen berg Bug)，對于第三方應(yīng)用跟系統(tǒng)交互或是用戶行為常常有偶發(fā)性不易在現(xiàn)的問題需要準(zhǔn)確的追蹤機制輔助找到原因。

4、不可預(yù)見：用已知模式分析未知問題。

講師介紹了一些Android上常見的工具

?Systrace : 用于將設(shè)備活動保存到跟蹤檔的Android 工具。

?cpu_profile : 在android平臺實現(xiàn)周期性采集調(diào)用棧。

?simpleperf : simpleperf是Anroid平臺的一套性能分析工具，功能大致與linux perf相似。

?nanotrace : 通過在虛擬機（包括解析器和編譯程序）中插樁，獲取從APK到framework層的執(zhí)行路徑的調(diào)用鏈和函數(shù)執(zhí)行時長。

?objtrace : 動態(tài)跟蹤函數(shù)參數(shù)值。

?blktrace : blktrace 結(jié)合btt可以統(tǒng)計一個IO是在調(diào)度隊列停留的時間長，還是在硬件上消耗的時間長。

?Hitrace : 對于跨設(shè)備/進程/線程的業(yè)務(wù)流程處理，通過相同的traceid在整個業(yè)務(wù)流程中傳遞，將調(diào)用層次、各種輸出信息關(guān)聯(lián)和展現(xiàn)。

3.可觀測性之Logging

上圖由上而下的拆解展示日志的重要性，首先我們需要了解用戶行為，關(guān)注用戶體驗并記錄對應(yīng)的錯誤日志，當(dāng)時系統(tǒng)狀態(tài)與硬件狀態(tài)用于改善用戶體驗。

手機系統(tǒng)的日志系統(tǒng)時常需要整合第三方應(yīng)用，因為第三方應(yīng)用不開源，管理日志上常常沒有足夠權(quán)限，還有手機儲存大小受限因此最終的日志系統(tǒng)方案都是朝可以匯整日志并更精準(zhǔn)建立模型為目標(biāo)。

總結(jié)以上幾點用戶體驗是感性的，不單單只是數(shù)字因此講者認(rèn)科技應(yīng)該是有溫度的。

Q&A

Q : 是否有AI優(yōu)化思路？

A: 目前還在努力，有嘗試用AI分析用戶體驗不過效果不明顯。目前比較多還是在做基礎(chǔ)體驗度量。

Q : 跑分跟用戶體驗怎么看？

A: 跑分不能直接當(dāng)用戶體驗偵率，累積布局偏移可參考。

Q: nanotrace可否第三方插莊？

A: yes

Q : 是否能找到喚醒源？

A:可打開irq，ipi中斷事件可以看到換醒源。

二、揭秘ARM架構(gòu)對Linux調(diào)測特性的支持

講師簡介：張健, 現(xiàn)就職于北京大簡技術(shù)有限公司, 14年ARM架構(gòu)和操作系統(tǒng)一線研發(fā)經(jīng)驗. 在北京, 柏林, 拉斯維加斯, 多地發(fā)表技術(shù)演講。

首先，本次分享從調(diào)試視角、性能影響兩個角度出發(fā)，對調(diào)試特性進行了宏觀的分類。

1.調(diào)試類型

調(diào)試包含兩個維度的特性：調(diào)試視角維度與性能影響維度。

1.調(diào)試視角維度

從調(diào)試視角維度出發(fā)，調(diào)試分為external debug與self-hosted debug，前者包括openocd、kgdb、ftrace、perf等內(nèi)核調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施，后者則是通過JTAG、FTOI等體系結(jié)構(gòu)相關(guān)調(diào)試接口連接芯片，同時用調(diào)試軟件控制硬件調(diào)試器進行調(diào)試。

其中，紅色所示技術(shù)為硬件調(diào)試接口，藍色所示技術(shù)為相關(guān)軟件調(diào)試工具。軟硬件調(diào)試工具共享CPU和內(nèi)核所提供的調(diào)試能力。

2.性能影響維度

從性能影響維度出發(fā)，調(diào)試分為影響（多為停止）當(dāng)前CPU狀態(tài)的侵入式調(diào)試和不影響CPU運行的非侵入式調(diào)試。前者多會暫停當(dāng)前CPU的執(zhí)行流，同時通過相關(guān)機制（比如，AR cross trigger）告知其他核當(dāng)前被調(diào)試的狀態(tài)，從而影響系統(tǒng)狀態(tài)。

這種調(diào)試類型雖然帶來了強大的調(diào)試能力，但是在芯片和內(nèi)核的設(shè)計開發(fā)時需要考慮CPU調(diào)試過程中與其他外圍設(shè)備的關(guān)系，因為CPU的調(diào)試狀態(tài)不會影響到其他硬件，一致性等問題是該方法的經(jīng)典挑戰(zhàn)；對于非侵入式的調(diào)試類型，它不會直接停止當(dāng)前的CPU運行狀態(tài)，更多對系統(tǒng)起到監(jiān)控跟蹤的作用。

接下來，分享從斷點、Trace、PMU三類調(diào)試手段出發(fā)講述ARM架構(gòu)的系統(tǒng)調(diào)試特性。

2.侵入式調(diào)試手段之?dāng)帱c

斷點調(diào)試是侵入式的，單純依賴用戶態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施或頂層應(yīng)用無法達到啟停系統(tǒng)的能力要求。因此，斷點調(diào)試的設(shè)計需要硬件和操作系統(tǒng)的支持，即斷點調(diào)試要有陷入高特權(quán)級別環(huán)境的能力。

用戶通過配置編譯選項獲得指定平臺下的gdb調(diào)試器，將被追蹤程序當(dāng)作參數(shù)傳遞gdb調(diào)試器，gdb調(diào)試器fork出被調(diào)試程序子進程，兩者通過PTRACE_XXX請求建立連接。

對于軟件斷點，gdb將通過符號表等信息在開發(fā)者指定的位置填入調(diào)試指令（x86為INT3，ARM為BRK/BRKT）；對于硬件斷點，gdb會將指定位置的地址寫入到調(diào)試寄存器中。

當(dāng)程序運行至軟件斷點或硬件斷點處，子進程會觸發(fā)相應(yīng)異常，待異常信號被gdb捕獲后，通過比對記錄的斷點信息來判斷是否是調(diào)試原因所觸發(fā)的異常，如此來實現(xiàn)gdb調(diào)試進程的啟停能力。

3.非侵入調(diào)試類型之Trace

ARM Coresight架構(gòu)是遵循可觀測性的架構(gòu)設(shè)計，Cortex Processor后的ETM負(fù)責(zé)在處理器外部抓取指令序列，不影響CPU的運行狀態(tài)。并且，Trace信息的傳輸未經(jīng)系統(tǒng)總線，減少了對系統(tǒng)帶寬的影響。Coresight架構(gòu)中存在多個執(zhí)行流抓取點，存在多個對應(yīng)的ETM，多個ETM收集的信息會傳入下游的Funnel，F(xiàn)unnel將根據(jù)數(shù)據(jù)所存在的信息將執(zhí)行流信息進行分流處理。

關(guān)于具體的互聯(lián)結(jié)構(gòu)可以查看對應(yīng)版本的設(shè)備樹文件。（所在源碼目錄為/arch/arm64/boot/dts）

4.非侵入調(diào)試類型之Performance Monitor Unit(PMU)

CPU中存在PMU部件，該部件會監(jiān)控CPU的相關(guān)性能信息，用戶可以通過訪問相應(yīng)的寄存器獲取相關(guān)信息。perf是一種可以訪問PMU的用戶態(tài)工具。

perf訪問PMU的相關(guān)流程如下：

1.使用perf_pmu_register注冊PMU事件。

2.perf_event_open系統(tǒng)調(diào)用打開對應(yīng)事件的文件描述符，從中讀取記錄的值。

審核編輯 ：李倩