内核探索:Linux BogoMips 探秘
By Tao Hongliang of TinyLab.org
2015/04/12
背景
今天和往常一样,在实验室和一群攻城师同事们没日没夜的码着代码。突然,一个同学问了一句: /proc/cpuinfo (龙芯平台) 里的 BogoMIPS 和 CPU 的频率是什么关系? 一石激起千层浪,一时间各种奇葩的答案层出不穷,最终也没个定论。本攻城师决定直捣黄龙一探究竟,给迷茫的小伙伴们一个交代。
BogoMIPS 的由来
BogoMIPS 是 Linus 本人的独创,Bogo 意思是“假的,伪造的”,MIPS 意思是“Millions of Instructions Per Second”,如果系统启动时,计算出 BogoMIPS 为 100,可记为 100万条伪指令每秒。
之所以叫伪指令,是因为在计算 BogoMIPS 的值时,CPU 一直在单一的执行 NOP (空操作),而不是随机执行指令集中的任意指令,所以不能以此作为 CPU 的性能指标。
BogoMIPS 的计算
现在就让我们走进代码,看看他是怎么计算的。笔者是在 v3.13.0 版本的 Linux kernel 源码中做的实验。这一部分变动很少,其他相似版本应该无差别。
首先,在文件 arch/mips/kernel/proc.c
中给出了 BogoMIPS 的计算方式:
seq_printf(m, "BogoMIPS\t\t: %u.%02u\n", cpu_data[n].udelay_val / (500000/HZ), (cpu_data[n].udelay_val / (5000/HZ)) % 100);
其中 HZ 是在内核配置的时候就确定好的常量,那在这个公式里就只剩 udelay_val 的值是未知的了。小提醒:这里是一个经典的用整型来表达浮点类型的例子,小伙伴们可以学习下。
然后,在文件 arch/mips/include/asm/bugs.h
中给出了 udelay_val 的计算方式:
cpu_data[cpu].udelay_val = loops_per_jiffy;
最后,在文件init/calibrate.c
中,我们能找到 loops_per_jiffy 的计算方式:
#define LPS_PREC 8
static unsigned long calibrate_delay_converge(void)
{
/* First stage - slowly accelerate to find initial bounds */
unsigned long lpj, lpj_base, ticks, loopadd, loopadd_base, chop_limit;
int trials = 0, band = 0, trial_in_band = 0;
lpj = (1<<12);
/* wait for "start of" clock tick */
/* 这里很聪明的选择了一个计算 loops 的起始时间,即,一个 tick 刚开始的时候 */
ticks = jiffies;
while (ticks == jiffies)
; /* nothing */
/* Go .. */
ticks = jiffies;
/* 这里用逐渐逼近的方式计算在一个jiffy的时间段内,循环调用 __delay(NOP 循环),
* 最后累计 delay 了多少。loops_per_jiffy 就是多少了。
*/
do {
if (++trial_in_band == (1<<band)) {
++band;
trial_in_band = 0;
}
__delay(lpj * band);
trials += band;
} while (ticks == jiffies);
/*
* We overshot, so retreat to a clear underestimate. Then estimate
* the largest likely undershoot. This defines our chop bounds.
*/
trials -= band;
loopadd_base = lpj * band;
lpj_base = lpj * trials;
/* 接下来,再对上面算出来的 loops_per_jiffy 的值进行微调,确保其准确 */
recalibrate:
lpj = lpj_base;
loopadd = loopadd_base;
/*
* Do a binary approximation to get lpj set to
* equal one clock (up to LPS_PREC bits)
*/
chop_limit = lpj >> LPS_PREC;
while (loopadd > chop_limit) {
lpj += loopadd;
ticks = jiffies;
while (ticks == jiffies)
; /* nothing */
ticks = jiffies;
__delay(lpj);
if (jiffies != ticks) /* longer than 1 tick */
lpj -= loopadd;
loopadd >>= 1;
}
/*
* If we incremented every single time possible, presume we‘ve
* massively underestimated initially, and retry with a higher
* start, and larger range. (Only seen on x86_64, due to SMIs)
*/
if (lpj + loopadd * 2 == lpj_base + loopadd_base * 2) {
lpj_base = lpj;
loopadd_base <<= 2;
goto recalibrate;
}
return lpj;
}
这下我们搞清楚了 loops_per_jiffy 的实质。详细计算方式,可以参考上面代码中给出的中文注释。
BogoMIPS = loops_per_jiffy ÷ (500000 / HZ) ---> BogoMIPS = (loops_per_jiffy * HZ) ÷ 500000
HZ 是什么,HZ 就是每秒的滴答数,即每秒的 jiffy 数。那么,loops_per_jiffy * HZ = loops_per_second
BogoMIPS = loops_per_second ÷ 500000 ---> BogoMIPS = (loops_per_second * 2) ÷ 1000000
自此,BogoMIPS 的计算探秘结束。
BogoMIPS 和 CPU 频率的关系
看了上面 BogoMIPS 的计算方式,我们发现并没有一个直接的公式可以让 BogoMIPS 和 CPU 频率之间相互转换。但至少可以推断出对于同一款处理器:
- CPU 频率越快,loops_per_second 的值必然越大,那么 BogoMIPS 的值将会越大;
- CPU 频率越低,则 BogoMIPS 的值将越小;
- CPU 变频的时候,BogoMIPS 会随着 CPU 频率升高而升高,降低而降低。
引用 维基百科上已有的数据,可以进一步的对于 BogoMIPS 和 CPU 频率之间的关系,有更深的感性认识:
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