Linux 内核 APM X-Gene SoC PMU（xgene-pmu）驱动完全指南：从 sysfs 事件到 perf 实战

Linux 内核 APM X-Gene SoC PMU（xgene-pmu）驱动完全指南：从 sysfs 事件到 perf 实战

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本指南基于 Linux 内核源码树中的 Documentation/admin-guide/perf/xgene-pmu.rst 编写，全面讲解 APM X-Gene SoC 上由xgene-pmu驱动管理的系统级 Performance Monitoring Unit（PMU）：L3 缓存、I/O 桥、内存控制器桥与内存控制器四类设备。读完本文，你将掌握如何在 X-Gene 平台上用perf工具枚举 SoC 事件、配置 agent 过滤、执行perf stat系统级计数，并理解驱动在寄存器与 perf 子系统之间的底层实现机制。

X-Gene SoC PMU 概述：四类系统设备 PMU

X-Gene SoC PMU 由多个相互独立的系统设备 PMU 组成，包括L3 cache（L3C）、I/O bridge（IOB）、memory controller bridge（MCB）和memory controller（MC）。这些 PMU 设备采用与 ARM 核 PMU 类似的松散架构模型，并共享同一个顶层中断与状态 CSR（Control/Status Register）区域——这一点在驱动代码中体现为公共的 PCPPMU 寄存器组（PCPPMU_INTSTATUS_REG/PCPPMU_INTMASK_REG，见 drivers/perf/xgene_pmu.c）。

从驱动的角度看，xgene-pmu是一个平台设备驱动，它注册的是一组独立的 perf PMU（而非单个 PMU），每个 PMU 对应一个xgene_pmu_dev实例，命名规则为l3c%d、iob%d、iob_slow%d、mcb%d、mc%d（见 xgene_pmu_dev_name()）。

驱动支持三个硬件版本，由枚举PCP_PMU_V1 / PCP_PMU_V2 / PCP_PMU_V3区分（drivers/perf/xgene_pmu.c）：

版本差异在驱动中由两套 ops 表（xgene_pmu_ops与xgene_pmu_v3_ops）实现，其中 V3 使用 64 位计数器读写（两个 32 位寄存器拼接，并带进位一致性重读保护），且不再支持 agent 掩码寄存器（write_agentmsk/write_agent1msk为空实现），见 drivers/perf/xgene_pmu.c 与 drivers/perf/xgene_pmu.c。

PMU（perf）驱动与 sysfs 事件发现

xgene-pmu驱动为上述每类 PMU 注册独立的 perf 驱动，每个驱动的可用事件与配置选项通过 sysfs 暴露，目录为：

/sys/bus/event_source/devices/<l3cX/iobX/mcbX/mcX>/

目录下主要包含三类属性组（对应驱动中的 attribute group）：

• format目录：描述perf_event_attr结构中config（事件 ID）与config1（agent ID）字段的位格式；
• events目录：提供所有受支持事件类型的配置模板，可直接用于 perf 工具；
• cpumask属性：包含一个 CPU ID，所有 PMU 事件由该 CPU 统一处理。

例如l3c0/bank-fifo-full/等价于l3c0/config=0x0b/。在驱动中，事件模板由XGENE_PMU_EVENT_ATTR宏生成（drivers/perf/xgene_pmu.c），events目录下的每个属性实际输出config=0x%llx形式的字符串（xgene_pmu_event_show()），perf 工具读取后即自动展开为原始配置。

format 目录：config 与 config1 的位布局

驱动为 V1/V2 定义了 4 组 format 属性（drivers/perf/xgene_pmu.c）：

可见：config字段存放事件 ID（各 PMU 位宽不同，如 MCB 只支持 0-5 位，即 0x00~0x05 的事件号）；config1字段存放 agent 掩码，其中 IOB 使用完整的 64 位（由config1的低 32 位与高 32 位两个寄存器PMU_PMAMR0/PMU_PMAMR1承载，见 drivers/perf/xgene_pmu.c）。V3 的 format 则只暴露config事件 ID 字段，位宽显著扩大（如 L3C 为config:0-39，MC 为config:0-44），见 drivers/perf/xgene_pmu.c。

events 目录：V1/V2 事件表

以下是 V1/V2 各 PMU 在events目录下暴露的完整事件清单（对应 drivers/perf/xgene_pmu.c 中的事件数组）：

l3c（L3 cache）事件：

iob（I/O bridge）事件：cycle-count(0x00)、cycle-count-div-64(0x01)、axi0-read(0x02)、axi0-read-partial(0x03)、axi1-read(0x04)、axi1-read-partial(0x05)、csw-read-block(0x06)、csw-read-partial(0x07)、axi0-write(0x10)、axi0-write-partial(0x11)、axi1-write(0x13)、axi1-write-partial(0x14)、csw-inbound-dirty(0x16)。

mcb（内存控制器桥）事件：cycle-count(0x00)、cycle-count-div-64(0x01)、csw-read(0x02)、csw-write-request(0x03)、mcb-csw-stall(0x04)、cancel-read-gack(0x05)。

mc（内存控制器）事件：覆盖命令发送（act-cmd-sent、pre-cmd-sent、rd-cmd-sent、rda-cmd-sent、wr-cmd-sent、wra-cmd-sent、pde-cmd-sent、sre-cmd-sent、prea-cmd-sent、ref-cmd-sent、rd-rda-cmd-sent、wr-wra-cmd-sent）、冲突（in-rd-collision、in-wr-collision、collision-queue-not-empty、collision-queue-full）、MCU 请求（mcu-request、mcu-rd-request、mcu-hp-rd-request、mcu-wr-request、mcu-rd-proceed-all、mcu-rd-proceed-cancel、mcu-rd-response、mcu-rd-proceed-speculative-all、mcu-rd-proceed-speculative-cancel、mcu-wr-proceed-all、mcu-wr-proceed-cancel），config 值从 0x00 到 0x1c。

V3 的事件表更为庞大，例如 L3C V3 提供 40 个事件（含index-flush-eviction、clean-eviction、dirty-eviction、bloomfilter-clearing、generation-flip、vcc-droop-detected等），IOB 分为 fast（49 个，含 snoop、barrier 相关）与 slow（9 个）两套，MCB V3 有 36 个事件，MC V3 有 45 个事件（含各种 hazard：raw-hazard、war-hazard、waw-hazard、rar-hazard以及rank-active、rank-idle、rank-pd、rank-sref等），完整清单见 drivers/perf/xgene_pmu.c。

agent ID：按数据通路来源过滤事件

X-Gene SoC 的绝大多数 PMU 都有特定的agent ID 列表，用于监控特定数据通路的性能。例如，L3 cache 的 agent 可以是某个具体 CPU 或某个 I/O 桥。每个 PMU 都有一组 2 个寄存器（PMU_PMAMR0/PMU_PMAMR1，偏移 0xA00 / 0xA04）用于掩码请求来源的 agent：

• 若与 agent 编号对应的位被置 1，则仅当事件由该 agent 的请求引发时才被计数；
• 每个 agent ID 位与config1字段中的对应位是反向映射的；
• 默认情况下事件对所有 agent 请求计数（config1 = 0x0）。

也就是说，config1中的某个位为 0 表示"该 agent 被计入"，为 1 表示"该 agent 被排除"。在驱动实现中，xgene_perf_enable_event()将config1取反后写入掩码寄存器：write_agentmsk(pmu_dev, ~GET_AGENTID(event))（drivers/perf/xgene_pmu.c），与文档描述的"inversely mapped"完全一致；IOB 额外将config1的高 32 位写入第二个掩码寄存器PMU_PMAMR1。各 PMU 具体支持哪些 agent，需查阅 APM X-Gene 用户手册（User Manual）。

cpumask：单 CPU 承载全部事件

由于 SoC 系统级 PMU 的计数器是所有核共享的，perf 核心的诸多操作（如事件轮转）都运行在单一 CPU 上下文上。为避免 off-core PMU 事件被分配到不同 CPU 导致的问题，驱动强制将所有事件绑定到cpumask属性指定的唯一 CPU上（xgene_perf_event_init() 中将event->cpu重写为cpumask_first(&pmu_dev->parent->cpu)）。

cpumask属性本身由cpumask_show()输出（drivers/perf/xgene_pmu.c）。该 CPU 的选择由 CPU 热插拔回调维护：在 CPU 上线时选定一个"读者 CPU"，并将溢出中断的亲和性（irq_set_affinity）一并绑定到该 CPU；当该 CPU 下线时，通过perf_pmu_migrate_context()把所有 PMU 的 perf 上下文迁移到另一个在线 CPU，见 drivers/perf/xgene_pmu.c。因此用户在使用时无需手动指定-C，驱动会自动使用 cpumask 指定的 CPU。

perf 工具实战：枚举与计数

在内核开启CONFIG_ARM_APM_XGENE_PMU（drivers/perf下的xgene-pmu驱动，平台驱动见 drivers/perf/xgene_pmu.c）后，即可用 perf 工具访问这些 PMU。

1. 枚举可用事件：

/ # perf list | grep -e l3c -e iob -e mcb -e mc l3c0/ackq-full/ [Kernel PMU event] <...> mcb1/mcb-csw-stall/ [Kernel PMU event]

perf list输出中的事件名直接来自 sysfsevents目录，与驱动源码中的XGENE_PMU_EVENT_ATTR定义一一对应。

2. 系统级计数统计（1 秒）：

/ # perf stat -a -e l3c0/read-miss/,mcb1/csw-write-request/ sleep 1

-a表示系统级（all CPUs）模式，这是必须的——SoC PMU 计数器跨核共享，不支持 per-task 会话。

3. 结合 agent 过滤：

/ # perf stat -a -e l3c0/read-miss,config1=0xfffffffffffffffe/ sleep 1

config1=0xfffffffffffffffe表示仅统计来自 agent 0（bit 0 为 0）的读未命中，屏蔽其余所有 agent 的请求。从驱动的反向掩码逻辑可以理解：~0xfffffffffffffffe = 0x1，写入PMU_PMAMR0后只有 bit 0 使能。

4. 事件组使用：驱动要求同组事件必须来自同一 PMU（软件事件除外），混用不同 PMU 的事件组会被xgene_perf_event_init()拒绝（drivers/perf/xgene_pmu.c）。

驱动不支持的能力与原因

原文档明确指出驱动存在以下限制，结合源码可以进一步解释其根因：

• 不支持采样（sampling）：perf record无法工作。在xgene_perf_event_init()中，is_sampling_event(event)直接返回-EINVAL（drivers/perf/xgene_pmu.c）；
• 不支持 per-task（不带-a）会话：PERF_ATTACH_TASK同样被拒绝，且 PMU 注册时task_ctx_nr = perf_invalid_context（drivers/perf/xgene_pmu.c）；
• 另外 PMU 的 capabilities 为PERF_PMU_CAP_NO_EXCLUDE，即不支持排除用户态/内核态（exclude_user/exclude_kernel）等过滤。

这些限制的根源在于：SoC 系统 PMU 计数器是跨所有核共享的全局硬件资源，无法按进程隔离，也不具备按指令地址采样的能力。事件初始化时若传入event->cpu < 0（即未绑定具体 CPU）也会返回-EINVAL。

中断处理与计数器溢出

顶层中断处理由xgene_pmu_isr()完成：读取共享 PCPPMU 中断状态寄存器，按版本解析 MCU/MCB/L3C/IOB 中断源，再分别遍历各 PMU 列表调用_xgene_pmu_isr()（drivers/perf/xgene_pmu.c）。

在_xgene_pmu_isr()中（drivers/perf/xgene_pmu.c）：

1. 停止计数器（写PMU_PMCR的 E 位）；
2. 读取溢出状态寄存器PMU_PMOVSR（V3 用PMU_PMOVSSET）并只取PMU_OVERFLOW_MASK（0xF）低 4 位；
3. 按版本清除中断标志（V1 写 0x0，V2 回写 pmovsr，V3 写PMU_PMOVSCLR）；
4. 对每个溢出的计数器调用xgene_perf_event_update()累加计数，再调用xgene_perf_event_set_period()重设周期；
5. 重新启动计数器。

32 位计数器以2^31为编程周期（1ULL << 31），以应对极端中断延迟下计数器被追上的风险；64 位计数器（V3）则不预期溢出（drivers/perf/xgene_pmu.c）。计数增量计算使用(new - prev) & max_period的环绕减法（drivers/perf/xgene_pmu.c）。

设备树（DT）与 ACPI 支持

驱动同时支持 Flattened Device Tree（FDT）与 ACPI 两种固件接口：

• 设备树：of_match_table匹配apm,xgene-pmu（V1）与apm,xgene-pmu-v2（V2），完整绑定说明见 Documentation/devicetree/bindings/perf/apm,xgene-pmu.yaml。父节点需要regmap-csw、regmap-mcba、regmap-mcbb三个 syscon phandle，用于探测活动的 MCB/MC 数量；子节点按 compatible（apm,xgene-pmu-l3c/-iob/-mcb/-mc）枚举，MCB/MC 子节点用enable-bit-index指定其在活动掩码中的位号（如 4 个 MC 子节点分别用 0~3），未指定时默认为 0（"总是使能"，见 drivers/perf/xgene_pmu.c）；
• ACPI：匹配APMC0D5B（V1）、APMC0D5C（V2）、APMC0D83（V3）三个 PNP ID，子设备通过acpi_walk_namespace递归枚举，类型由APMC0D5D~APMC0D60、APMC0D84~APMC0D88映射（drivers/perf/xgene_pmu.c）。

驱动在 probe 阶段会读取 CSW（Crossbar Switch）与 MCBA/MCBB 寄存器来判断实际活动的 MCB 数量（单/双 MCB）与 MC 数量（MCBADDRMR_DUALMCU_MODE_MASK位判断 dual-MCU 模式），从而只注册硬件实际存在的 PMU 设备（drivers/perf/xgene_pmu.c）；V3 下 L3C 最多 8 个（掩码 0xFF），MC 数量则由 CSW 路由位推断。这也是为什么不同机器上/sys/bus/event_source/devices/下出现的l3cX/mcbX/mcX数量会不同。

小结

X-Gene SoC PMU 通过xgene-pmu驱动将 L3C、IOB、MCB、MC 四类系统设备以标准 perf PMU 的形式接入 Linux perf 子系统。使用时只需三步：用perf list枚举事件、用perf stat -a做系统级计数、需要时通过config1按 agent 过滤数据通路。其底层实现——共享中断 CSR、反向 agent 掩码、单 CPU 亲和性绑定、32/64 位计数器溢出处理——体现了 off-core 系统 PMU 与核内 PMU 在设计上的典型差异，值得嵌入式与服务器性能工程师深入参考。

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