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内核探索:Linux BogoMips 探秘【转】

1 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。

2 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。

3 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。 </br>

首先,在文件 ​

​arch/mips/kernel/proc.c​

​ 中给出了 BogoMIPS 的计算方式:

  1. seq_printf(m, "BogoMIPS\t\t: %u.%02u\n",
  2. cpu_data[n].udelay_val / (500000/HZ),
  3. (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。 </br>

然后,在文件 ​

​arch/mips/include/asm/bugs.h​

​中给出了 udelay_val 的计算方式:

  1. 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:

  1. #define LPS_PREC 8
  2. static unsigned long calibrate_delay_converge(void)
  3. {
  4. /* First stage - slowly accelerate to find initial bounds */
  5. unsigned long lpj, lpj_base, ticks, loopadd, loopadd_base, chop_limit;
  6. int trials = 0, band = 0, trial_in_band = 0;
  7. lpj = (1<<12);
  8. /* wait for "start of" clock tick */
  9. /* 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 */
  10. ticks = jiffies;
  11. while (ticks == jiffies)
  12. ; /* nothing */
  13. /* Go .. */
  14. /* 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),
  15. * 最后累计 delay 了多少。loops_per_jiffy 就是多少了。
  16. */
  17. do {
  18. if (++trial_in_band == (1<<band)) {
  19. ++band;
  20. trial_in_band = 0;
  21. }
  22. __delay(lpj * band);
  23. trials += band;
  24. } while (ticks == jiffies);
  25. /*
  26. * We overshot, so retreat to a clear underestimate. Then estimate
  27. * the largest likely undershoot. This defines our chop bounds.
  28. trials -= band;
  29. loopadd_base = lpj * band;
  30. lpj_base = lpj * trials;
  31. /* 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 */
  32. recalibrate:
  33. lpj = lpj_base;
  34. loopadd = loopadd_base;
  35. * Do a binary approximation to get lpj set to
  36. * equal one clock (up to LPS_PREC bits)
  37. chop_limit = lpj >> LPS_PREC;
  38. while (loopadd > chop_limit) {
  39. lpj += loopadd;
  40. __delay(lpj);
  41. if (jiffies != ticks) /* longer than 1 tick */
  42. lpj -= loopadd;
  43. loopadd >>= 1;
  44. * If we incremented every single time possible, presume we've
  45. * massively underestimated initially, and retry with a higher
  46. * start, and larger range. (Only seen on x86_64, due to SMIs)
  47. if (lpj + loopadd * 2 == lpj_base + loopadd_base * 2) {
  48. lpj_base = lpj;
  49. loopadd_base <<= 2;
  50. goto recalibrate;
  51. 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。

  1. 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

  1. BogoMIPS = loops_per_second ÷ 500000 ---> BogoMIPS = (loops_per_second * 2) ÷ 1000000

自此,BogoMIPS 的计算探秘结束。

4 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:

内核探索:Linux BogoMips 探秘【转】

【作者】张昺华

【微信公众号】 张昺华