評(píng)估基于 Yocto 的 Linux 系統(tǒng)的性能

絕大多數(shù)嵌入式 Linux 軟件開發(fā)人員編寫用戶空間應(yīng)用程序。由于這些應(yīng)用程序特定于某個(gè)領(lǐng)域并且非常復(fù)雜，因此應(yīng)用程序開發(fā)人員需要一種簡單的機(jī)制來驗(yàn)證其應(yīng)用程序的功能并衡量性能。

跟蹤點(diǎn)是 LTTng 用戶空間跟蹤庫提供的特定于應(yīng)用程序的檢測(cè)點(diǎn)，用于將用戶指定的數(shù)據(jù)捕獲為事件，它可實(shí)現(xiàn)此目的。跟蹤點(diǎn)可以通過兩種方式創(chuàng)建：第一種稱為 tracef，是一種非常簡單的方法，可將所有數(shù)據(jù)捕獲為單個(gè)事件。第二種允許開發(fā)人員創(chuàng)建自定義事件。雖然后一種機(jī)制需要編寫更多代碼，但它也為收集數(shù)據(jù)并將其顯示在 Tracealyzer 中提供了最大的靈活性。

我在這里使用了 tracef 方法，但請(qǐng)注意，這也會(huì)捕獲內(nèi)核跟蹤，原因有二。首先，包含內(nèi)核跟蹤通常可以解釋用戶空間事件的時(shí)間線。例如，如果我們應(yīng)用程序中的兩個(gè)事件之間存在較長的延遲，則內(nèi)核事件應(yīng)該可以顯示導(dǎo)致延遲的原因。其次，從 4.4.2 版開始，Tracealyzer 需要內(nèi)核跟蹤中的一些數(shù)據(jù)才能正確顯示 UST 事件，盡管它不需要是完整的內(nèi)核跟蹤。

Tracealyzer 還可以測(cè)量用戶空間應(yīng)用程序的性能。此特定示例使用 Linux usleep 函數(shù)模擬需要一定時(shí)間的函數(shù)，在函數(shù)調(diào)用之前添加一個(gè)跟蹤點(diǎn)，并在之后添加另一個(gè)跟蹤點(diǎn)，以測(cè)量函數(shù)完成所需的時(shí)間。

在實(shí)際場景中，開發(fā)人員會(huì)確定應(yīng)用程序中需要測(cè)量執(zhí)行時(shí)間的位置，并在那里添加 tracef 調(diào)用。例如，一個(gè)函數(shù)可能有多個(gè)實(shí)現(xiàn)候選，并且會(huì)檢查執(zhí)行時(shí)間以找到最快的算法?；蛘咛囟ê瘮?shù)可能很復(fù)雜，需要對(duì)執(zhí)行進(jìn)行表征。編譯上述應(yīng)用程序、在目標(biāo)上啟動(dòng) LTTng 會(huì)話、捕獲和下載生成的跟蹤數(shù)據(jù)后，在 Tracealyzer 中檢查跟蹤數(shù)據(jù)。

圖 1.放大跟蹤視圖來檢查跟蹤數(shù)據(jù)。

usleep 函數(shù)調(diào)用的執(zhí)行時(shí)間可以定義為每對(duì)“開始”和“停止”事件之間的時(shí)間。在 Tracealyzer 中執(zhí)行此操作的最佳方法是為自定義用戶事件創(chuàng)建間隔。

保存自定義間隔定義后，它將出現(xiàn)在間隔和狀態(tài)機(jī)窗口中，并且 Tracealyzer 會(huì)在跟蹤視圖中突出顯示它，從而允許生成間隔時(shí)序圖。

圖 2. 要繪制間隔時(shí)間圖，請(qǐng)?jiān)谝晥D菜單中選擇設(shè)置...。

毫不奇怪，所有間隔執(zhí)行似乎都持續(xù)了大約 25 毫秒，但單擊其中一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)就會(huì)顯示有關(guān)該間隔的有價(jià)值的時(shí)間信息。

圖 3. 時(shí)間信息視圖。

Tracealyzer 顯示每個(gè)間隔長度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這與相關(guān)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間相對(duì)應(yīng)。第二個(gè)框顯示我們感興趣的函數(shù)執(zhí)行間隔時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，例如停止事件和下一個(gè)啟動(dòng)事件之間的時(shí)間。第三個(gè)框顯示每個(gè)間隔發(fā)生的頻率，即從啟動(dòng)到下一個(gè)啟動(dòng)測(cè)量的時(shí)間。

區(qū)間圖可用于識(shí)別感興趣的函數(shù)的任何異常時(shí)間，并且選擇詳細(xì)信息視圖中的信息可用于收集高級(jí)時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

大多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)人員將在基于 Linux 的嵌入式系統(tǒng)上開發(fā)用戶空間應(yīng)用程序。Tracealyzer 與 LTTng 跟蹤點(diǎn)結(jié)合使用，可以成為一種非常有用的工具，用于確定應(yīng)用程序的運(yùn)行情況、識(shí)別任何異常行為并提供高級(jí)時(shí)序統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。然后，它可用于進(jìn)一步排除任何時(shí)序問題并提高應(yīng)用程序的性能。

了解編譯器選項(xiàng)對(duì)性能的影響

編譯器選項(xiàng)會(huì)影響最無害的計(jì)算的性能，即使是基本的正弦函數(shù)也是如此。使用 Tracealyzer 可以幫助開發(fā)人員了解這些選項(xiàng)如何影響執(zhí)行更復(fù)雜計(jì)算的用戶空間應(yīng)用程序的性能。

我已經(jīng)能夠通過計(jì)算頻率為 100 Hz、采樣率為 1 kHz 的正弦波的 1000 個(gè)點(diǎn)來證明這一點(diǎn)。通過使用“標(biāo)準(zhǔn)”編譯器選項(xiàng)，我們?cè)?Tracealyzer 中查看系統(tǒng)時(shí)間時(shí)會(huì)看到跟蹤中的不連續(xù)性。在將每個(gè)樣本打印到文件的代碼片段中添加 printf 調(diào)用不會(huì)顯示不連續(xù)性，因?yàn)檫@只是將值打印到文件中，沒有任何時(shí)間概念。但是，當(dāng)將計(jì)算出的值輸出到跟蹤文件時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間包含在每個(gè)跟蹤值中。

更改編譯器中的選項(xiàng)有助于減少這種不連續(xù)性。標(biāo)準(zhǔn) CPU(例如 Arm 處理器)的架構(gòu)旨在高效執(zhí)行整數(shù)運(yùn)算而不是浮點(diǎn)運(yùn)算，因此編譯器將浮點(diǎn)指令轉(zhuǎn)換為一系列基于整數(shù)的指令。這會(huì)導(dǎo)致 CPU 執(zhí)行的指令數(shù)量大幅增加，系統(tǒng)中的另一個(gè)任務(wù)有更大的機(jī)會(huì)搶占正弦波計(jì)算。Tracealyzer 中的跟蹤視圖證實(shí)了這一點(diǎn)，其中負(fù)責(zé)正弦波計(jì)算的進(jìn)程確實(shí)被其他進(jìn)程搶占，在最壞的情況下暫停 900 微秒。

圖 4. 使用整數(shù)處理浮點(diǎn)應(yīng)用程序的不連續(xù)性。

為編譯器指定“-mfloat-abi=hard”選項(xiàng)會(huì)告訴它使用一組專門為浮點(diǎn)操作設(shè)計(jì)的指令。然而，這并沒有產(chǎn)生任何真正的差異，因?yàn)槿匀淮嬖诓贿B續(xù)，跡線視圖顯示正弦波過程暫停相同的時(shí)間-900 ms。

這是因?yàn)檫@些浮點(diǎn)指令有特定的擴(kuò)展，可以在處理器本身上有一個(gè)單獨(dú)的、高度優(yōu)化的浮點(diǎn)單元(FPU)。這需要為編譯器指定“fpu”選項(xiàng)?！?mfloat-abi=hard”選項(xiàng)允許編譯器自由地選擇適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。

添加“-mfpu=neon”選項(xiàng)指示編譯器為該特定 FPU (NEON) 啟用一組特定的擴(kuò)展。由于大多數(shù)浮點(diǎn)計(jì)算都在單獨(dú)的協(xié)處理器上運(yùn)行，因此其他進(jìn)程幾乎沒有機(jī)會(huì)搶占正弦波生成，從而導(dǎo)致不連續(xù)性大大減小。

自定義間隔

Tracealyzer 還可以使用自定義間隔直觀顯示每次正弦計(jì)算所需的時(shí)間。無需使用帶有計(jì)算出的正弦值的 tracef 調(diào)用，跟蹤“開始”和“停止”用戶事件即可跟蹤計(jì)算。

在不使用“float_abi=hard”編譯器選項(xiàng)的情況下編譯和運(yùn)行應(yīng)用程序表明，雖然函數(shù)的大部分執(zhí)行時(shí)間大約需要幾十微秒，但也存在一些異常值。在一個(gè)案例中，該函數(shù)執(zhí)行時(shí)間約為 200 微秒，而在另一案例中，執(zhí)行時(shí)間約為 1.05 毫秒!

添加硬 ABI 選項(xiàng)(但不是 NEON 擴(kuò)展)顯示 100-200 微秒范圍內(nèi)的異常值和一次幾乎花費(fèi) 1.1 毫秒的調(diào)用。

打開在應(yīng)用程序編譯為使用硬 ABI 和 NEON 擴(kuò)展時(shí)收集的跟蹤信息，顯示最長執(zhí)行時(shí)間現(xiàn)在略少于 240 微秒。這突出顯示了使用 NEON 擴(kuò)展可以顯著減少計(jì)算點(diǎn)之間的最差延遲。

使用 LTTng 庫和 Tracealyzer，開發(fā)人員可以看到某些編譯器選項(xiàng)如何影響執(zhí)行浮點(diǎn)計(jì)算的用戶空間應(yīng)用程序的性能。通常，這種分析是在事后進(jìn)行的，當(dāng)應(yīng)用程序完成但觀察到的性能被視為不可接受時(shí)，這需要大量時(shí)間。我們已經(jīng)能夠證明，通過在開發(fā)階段使用 Tracealyzer 等可視化跟蹤診斷工具來驗(yàn)證軟件時(shí)序，可以更早地發(fā)現(xiàn)和解決問題。從經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)人員的角度來看，這可以避免隱藏的錯(cuò)誤，并在項(xiàng)目后期節(jié)省時(shí)間和成本。