1.如何使用oprofile对软件做profiling

如何使用oprofile对软件做profiling

       ã€€ã€€å…³äºŽXilinx Zynq-带来的新的系统设计思路，以及Profiling的对象libjpeg，前文已经描述过了，再此不再赘述。

       ã€€ã€€ä¸€. Oprofile简介

       ã€€ã€€Profiling是对不同性能特征的数据的形式化总结或分析，它通常以图形和表的形式出现。它提供为特定的处理器事件收集的采样百分数或数 量，比如cache miss rate、TLB miss rate等等。一般来说，主要目的是为了找出软件中的性能瓶颈，然后有针对性的优化以提升软件的整体性能。

       ã€€ã€€Oprofile 是用于 Linux 的若干种评测和性能监控工具中的一种。它可以工作在不同的体系结构上，包括ARM,gec源码 PowerPC, MIPS, IA, IA 和 AMD Athlon等等。它的开销很小，从Linux 2.6 版起，它被包含进了Linux内核中。

       ã€€ã€€Oprofile可以收集有关处理器事件的信息，帮助用户识别诸如循环的展开、cache的使用率低、低效的类型转换和冗余操作、错误预测转移 等问题。Oprofile是一种细粒度的工具，可以为指令集或者为函数、系统调用或中断处理例程收集采样。Oprofile 通过取样来工作。使用收集到的评测数据，用户可以很容易地找出性能问题。

       ã€€ã€€é€šè¿‡ç›‘察CPU的hardware events，oprofile可以在运行状态下对整个Linux系统进行profiling。Profiling的对象可以是Linux kernel (包括modules和interrupt handlers), shared libraries或者应用程序。

       ã€€ã€€ä»Ž0.9.8版本开始，oprofile支持Perf_events profiling mode模式。应用程序operf被用来控制profiling过程;而在legacy mode下，是通过opcontrol脚本和oprofiled daemon来完成的。Operf不再象legacy mode那样需要OProfile kernel driver，它直接和Linux Kernel Performance Events Subsystem打交道。使用operf，就可以用普通用户的身份来profiling用户的应用程序了，当然如果需要对整个系统来profiling 的时候还是需要root权限的。

       ã€€ã€€å¦‚果硬件不支持OProfile使用performance counters，OProfile就只能工作在Timer Mode下了。Timer Mode只能在legacy profiling mode下使用，即只能通过opcontrol脚本来控制。

       ã€€ã€€Oprofile的website为：piled (JIT) code

       ã€€ã€€? 可以对整个系统做profiling

       ã€€ã€€? 可以观察CPU内部的细节，例如cache miss rate

       ã€€ã€€? 可以多源代码做annotation

       ã€€ã€€? 可以支持instruction-level的profiling

       ã€€ã€€? 可以生成call-graph profiles

       ã€€ã€€ä¸è¿‡OProfile也不是万能的，它也有自己的局限性：

       ã€€ã€€? 只能在x, ARM, 和PowerPC架构上生成call graph profiles

       ã€€ã€€? 不支持%精确的instruction-level profiling

       ã€€ã€€? 对dynamically compiled (JIT) code profiling的支持还不完善。

       ã€€ã€€æ— è®ºå¦‚何，Oprofile的功能都比gprof要强很多，代价是配置起来会比较麻烦。

       ã€€ã€€äºŒ. 编译Oprofile

       ã€€ã€€é¦–先最好在Linux kernel里面选中Oprofile driver，以获得全面的支持。

       ã€€ã€€ä¸‹è½½Linux kernel Source：从/Xilinx/linux-xlnx 可以下载到Xilinx提供的验证好的内核。如果不方便使用Linux下的git工具，可以单击页面上的releases找到相应的版本下载tar ball。下载的时候最好选tar.gz格式的，而不是zip格式的，因为后者在处理symbol link的时候有可能会出问题。

       ã€€ã€€å› ä¸ºç¬”者使用的是Xilinx Linux pre-built .7，所以这里下载的是linux-xlnx-xilinx-v.7.tar.gz

       ã€€ã€€è§£åŽ‹ç¼©åŽï¼Œç”¨ä»¥ä¸‹å‘½ä»¤è°ƒå‡ºLinux kernel的配置界面：

       ã€€ã€€export ARCH=arm

       ã€€ã€€export CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi-

       ã€€ã€€make xilinx_zynq_defconfig

       ã€€ã€€make xconfig 或者make menuconfig

       ã€€ã€€åœ¨é…ç½®ç•Œé¢ä¸Šå°†ä»¥ä¸‹ä¸¤é¡¹å‹¾ä¸Šï¼š

       ã€€ã€€General setup --->

       ã€€ã€€[*] Profiling support

       ã€€ã€€<*> OProfile system profiling

       ã€€ã€€ç„¶åŽmake uImage即可生成新的uImage，用来替换Xilinx Linux pre-built .7中的Linux kernel image。同时我们也需要vmlinux来检查profiling的结果。

       ã€€ã€€Oprofile需要popt, bfd, liberty库，要在嵌入式单板上使用这些库，需要手工完成交叉编译。

       ã€€ã€€é’ˆå¯¹popt 1.7，用以下命令完成编译：

       ã€€ã€€./configure --prefix=/home/wave/xilinx/oprofileprj/rootfs --host=arm-xilinx-linux-gnueabi --with-kernel-support --disable-nls && make && make install

       ã€€ã€€é’ˆå¯¹binutils 2.，用以下命令完成编译：

       ã€€ã€€./configure --host=arm-xilinx-linux-gnueabi --prefix=/home/wave/xilinx/oprofileprj/rootfs --enable-install-libbfd --enable-install-libiberty --enable-shared && make && make install

       ã€€ã€€ä¸è¿‡--enable-install-libiberty没有效果，所以需要手工把libiberty.a和libiberty.h拷贝到相应的位置。

       ã€€ã€€é’ˆå¯¹oprofile 0.9.9，用以下命令完成编译：

       ã€€ã€€./configure --host=arm-xilinx-linux-gnueabi --prefix=/home/wave/xilinx/oprofileprj/rootfs --with-kernel-support --with-binutils=/home/wave/xilinx/oprofileprj/rootfs && make && make install

       ã€€ã€€é…ç½®è¿‡ç¨‹ç»“束后可能会有以下提示，因为没有打算用GUI和profile JITed code，所以直接忽视之。

       ã€€ã€€config.status: executing libtool commands

       ã€€ã€€Warning: QT version 3 was requested but not found. No GUI will be built.

       ã€€ã€€Warning: The user account 'oprofile:oprofile' does not exist on the system.

       ã€€ã€€To profile JITed code, this special user account must exist.

       ã€€ã€€Please ask your system administrator to add the following user and group:

       ã€€ã€€user name : 'oprofile'

       ã€€ã€€group name: 'oprofile'

       ã€€ã€€The 'oprofile' group must be the default group for the 'oprofile' user.

       ã€€ã€€å°†ç¼–译完成的uImage，vmlinux，oprofile binary，重新编译的没有-pg的libjpeg binary以及tool chain的libc打包放到SD卡中，准备在ZC开发板上尝试profile djpeg。

       ã€€ã€€ä¸‰. 运行Oprofile

       ã€€ã€€æ­£å¸¸å¯åŠ¨åµŒå…¥å¼Linux后，在开发板的console上一次输入以下命令：

       ã€€ã€€mount /dev/mmcblk0p1 /mnt

       ã€€ã€€mkdir -p /home/root/work

       ã€€ã€€cd /home/root/work

       ã€€ã€€tar zxvf /mnt/jpeg-bin-nopg.tar.gz

       ã€€ã€€cd jpeg-bin/bin

       ã€€ã€€cp /mnt/park-x.jpg .

       ã€€ã€€export LD_LIBRARY_PATH=/home/root/work/jpeg-bin/lib

       ã€€ã€€cd /home/root/work

       ã€€ã€€tar zxvf /mnt/rootfs.tar.gz

       ã€€ã€€cd rootfs

       ã€€ã€€chown root:root -R

       ã€€ã€€cp -R bin/* /usr/bin

       ã€€ã€€cp -R lib/* /lib

       ã€€ã€€cp /bin/which /usr/bin

       ã€€ã€€cp /bin/dirname /usr/bin

       ã€€ã€€mkdir -p /home/wave/xilinx/oprofileprj/rootfs/share

       ã€€ã€€cp -R ./rootfs/* /home/wave/xilinx/oprofileprj/rootfs

       ã€€ã€€cd /home/root/work

       ã€€ã€€tar zxvf /mnt/libc.tar.gz

       ã€€ã€€cp ./lib/libstdc*.* /lib

       ã€€ã€€mkdir -p /home/wave/xilinx/libjpeg

       ã€€ã€€cd /home/wave/xilinx/libjpeg

       ã€€ã€€tar zxvf /mnt/jpeg-9.tar.gz

       ã€€ã€€cp /mnt/vmlinux /home/root/work

       ã€€ã€€cd /home/root/work/jpeg-bin/bin

       ã€€ã€€opcontrol --init

       ã€€ã€€opcontrol --vmlinux=/home/root/work/vmlinux

       ã€€ã€€opcontrol --setup --event=CPU_CYCLES:::0:1 --session-dir=/home/root/

       ã€€ã€€operf --vmlinux /home/root/work/vmlinux ./djpeg -bmp park-x.jpg > result.bmp

       ã€€ã€€opreport -l ./djpeg

       ã€€ã€€å®Œæˆè¿™ä¸€æ­¥åŽï¼Œæˆ‘们就可以看到profiling的结果了，在笔者的平台上看到的内容的主要部分如下：

       ã€€ã€€root@zynq:~/work/jpeg-bin/bin# opreport -l ./djpeg

       ã€€ã€€Using /home/root/work/jpeg-bin/bin/oprofile_data/samples/ for samples directory.

       ã€€ã€€CPU: ARM Cortex-A9, speed MHz (estimated)

       ã€€ã€€Counted CPU_CYCLES events (CPU cycle) with a unit mask of 0x (No unit mask) count

       ã€€ã€€samples % image name symbol name

       ã€€ã€€ . libc-2..so /lib/libc-2..so

       ã€€ã€€ 7. libjpeg.so.9.0.0 ycc_rgb_convert

       ã€€ã€€ 7. libjpeg.so.9.0.0 jpeg_idct_x

       ã€€ã€€ 7. libjpeg.so.9.0.0 decode_mcu

       ã€€ã€€ 6. libjpeg.so.9.0.0 jpeg_idct_islow

       ã€€ã€€ 6. djpeg finish_output_bmp

       ã€€ã€€ 2. libjpeg.so.9.0.0 jpeg_fill_bit_buffer

       ã€€ã€€ 1. djpeg put_pixel_rows

       ã€€ã€€ 0. vmlinux __copy_from_user

       ã€€ã€€ 0. libjpeg.so.9.0.0 decompress_onepass

       ã€€ã€€ 0. libjpeg.so.9.0.0 jpeg_huff_decode

       ã€€ã€€ 0. vmlinux get_page_from_freelist

       ã€€ã€€ 0. vmlinux __memzero

       ã€€ã€€ 0. vmlinux __copy_to_user_std

       ã€€ã€€ 0. vmlinux _raw_spin_unlock_irqrestore

       ã€€ã€€ 0. vmlinux do_page_fault

       ã€€ã€€ 0. vmlinux __generic_file_aio_write

       ã€€ã€€ 0. vmlinux _raw_spin_unlock_irq

       ã€€ã€€ 0. vmlinux free_hot_cold_page

       ã€€ã€€ 0. vmlinux vector_swi

       ã€€ã€€ 0. vmlinux handle_pte_fault

       ã€€ã€€ä»Žç»“果中我们可以看到libjpeg.so.9.0.0, djpeg和vmlinux中的symbol name已经可以被正确的解析出来了，和gprof的结果基本一致。相比gprof，oprofile可以在更大的范围内完成profiling。

       ã€€ã€€æˆ‘们还可以用以下命令观察源代码中特定行的执行时间，进一步缩小优化的范围，达到事半功倍的效果。

       ã€€ã€€opannotate --source ./djpeg > opannotate.txt

       ã€€ã€€å››. 小结

       ã€€ã€€é€šè¿‡å®žéªŒï¼Œæˆ‘们可以看到Oprofile可以提供更丰富的profiling结果，可以更好的帮助开发者找到瓶颈，通过有针对性的优化提升软件 性能;profiling的结果也可以帮助开发者将性能瓶颈代码通过Xilinx HLS工具用硬件加速器来实现，从而为进一步提升整个嵌入式系统的性能打开了大门。