DP读书：鲲鹏处理器 架构与编程（十四）ACPI与软件架构具体调优

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一分钟速通ACPI和鲲鹏软件移植

操作系统内核

ACPI（Advanced Configuration and Power Interface）
是一种由英特尔、微软、惠普、索尼等公司共同开发的电源管理标准。它提供了一种通用的电源管理接口，用于管理计算机系统的电源状态、性能和配置等方面。

在计算机系统中，ACPI负责处理电源管理事件，例如系统启动、关机、休眠、唤醒等。它还提供了对硬件设备、散热设备、电池和其他设备的控制能力。

ACPI在计算机系统中扮演着重要的角色，它能够提高系统的能源效率和延长电池寿命，同时提供更好的系统性能和稳定性。
ACPI的ARM关系图
ARM64平台的Device Tree定义在Linux源码的arch/arm64/boot/dts/目录下。Device Tree是用于描述系统硬件的一种数据结构，它被用于在引导过程中初始化硬件。

下面是一个简单的ARM64平台Device Tree的示例，这是一个虚拟设备树，只为了理解基本概念。在实际设备树中，会有更多详细的属性和配置。
对不起，我不能直接处理C语言的代码。但是我可以帮你理解一个ARM64平台设备树（Device Tree）的基本结构，并且我可以给你一个例子。


git clone https://github.com/torvalds/linux.git
cd linux
cd scripts/dtc/

make
sudo make install PREFIX=/usr/local


// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * Example Device Tree for ARM64 SoC
 *
 * This is a simple example showing the basic structure of a Device Tree for an ARM64 platform.
 */

/dts-v1/;

/ {
    compatible = "example,arm64";
    model = "Example ARM64 SoC";

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x0 0x80000000 0x0 0x80000000>; // 2 GiB of memory starting from 0x80000000
    };

    chosen {
        bootargs = "console=ttyAMA0,115200";
    };

    uart@9000000 {
        compatible = "example,uart";
        reg = <0x0 0x9000000 0x0 0x1000>;
        interrupt-parent = <&gic>;
        interrupts = <0 13 4>; // interrupt number 13, active high, level triggered
    };

    gic: interrupt-controller {
        compatible = "example,gic-v3";
        interrupt-controller;
        #interrupt-cells = <3>;
        interrupt-parent = <&gic_cpuif>;
    };

    gic_cpuif: interrupt-controller@5000 {
        compatible = "example,gic-v3-cpuif";
        reg = <0x0 0x5000 0x0 0x1000>;
        interrupts = <0 8 1>; // interrupt number 8, active high, edge triggered
        interrupt-parent = <&gic>;
    };
};

鲲鹏软件移植

高层软件的架构

鲲鹏软件移植流程

鲲鹏软件移植流程包括以下步骤：

  1. 准备JDK：安装ARM版本JDK。
  2. 配置环境变量：配置JDK路径等环境变量。
  3. 编译：Java源码生成字节码。
  4. 测试：启动Java程序，调试功能。

以上就是鲲鹏软件移植的完整流程

编译工具选择

编译工具的选择主要取决于你使用的编程语言和开发环境。以下是一些常见的编译工具：

  1. Microsoft Visual Studio：这是一个完整的开发工具集，适用于C/C++/C#等编程语言，适用于微软支持的所有平台。它包括了UML工具、代码管控工具、集成开发环境(IDE)等，是一个非常实用且强大的代码编写开发软件。
  2. GCC：GNU Compiler Collection（GCC）是一个用于编程语言编译的软件，它支持C、C++、Objective-C、Fortran、Ada等语言。
  3. Clang：Clang是一个基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器，它主要用于优化编译效率和代码质量。
  4. Java Development Kit (JDK)：如果你正在开发Java应用程序，那么你需要JDK，它包含了Java编译器(Javac)和其他工具。
  5. Python解释器和编译器：Python是一种解释型语言，因此它不需要编译器。但是，Python有各种解释器和编译器，如CPython、Jython、IronPython等。
    这只是其中的一部分，实际上还有很多其他的编译工具可供选择。你应该根据自己的具体需求和习惯来选择适合你的编译工具。

编译参数移植案例

在编译过程中，一些特定的编译参数可能会影响到编译的结果和适应性。以下是一些编译参数的案例，这些参数在移植过程中可能会起到关键作用：

1. -march 和 -mtune：这两个参数用于指定目标处理器架构。例如，-march=native 将使编译器优化为运行在本地硬件上，而 -march=x86_64 将优化为运行在64位x86处理器上。
2. -fPIC (Position-Independent Code)：该参数用于生成位置无关的代码，这在实现共享库时非常重要。
3. -I：该参数用于指定头文件的搜索路径。在移植过程中，可能需要修改此参数以适应新的环境。
4. -L：该参数用于指定库文件的搜索路径。同样，在移植过程中，可能需要修改此参数。
5. -l：该参数用于指定要链接的库。这可能涉及到链接到不同的库文件，以适应新的环境。
6. -D：该参数用于定义宏。在移植过程中，可能需要定义新的宏以适应新的环境。

请注意，以上只是一些常见的编译参数示例，实际上还有许多其他的编译参数可以在移植过程中使用。具体的参数选择将取决于你的需求和目标平台的具体情况。

源码修改案例

源码修改案例主要是针对特定的需求或问题，对程序源代码进行修改和优化。以下是一个简单的源码修改案例：

假设我们有一个C语言程序，其中有一个函数名为 calculate_average，它接收一个整数数组和数组的长度作为输入，计算数组的平均值并返回结果。

double calculate_average(int* arr, int length) {
    double sum = 0.0;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        sum += arr[i];
    }
    return sum / length;
}

现在我们想要修改这个函数，使其能够忽略数组中的任何负数并直接跳过计算。我们可以添加一个简单的判断语句来实现这个功能。

double calculate_average(int* arr, int length) {
    double sum = 0.0;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        if (arr[i] >= 0) {
            sum += arr[i];
        }
    }
    return sum / length;
}

通过这个修改，函数现在只会计算数组中的非负数，并返回它们的平均值。这可以应用于任何包含负数的数组，以忽略它们并获得更准确的结果。

请注意，这只是一个简单的例子，实际的源码修改可能会更加复杂和涉及更多的细节。在修改源代码之前，建议进行充分的测试和备份（在虚拟机上跑没问题再上），以确保修改不会引入错误或破坏原始功能。

鲲鹏分析扫描工具 Dependency Advisor

Dependency Advisor 是一款可以简化客户应用迁移到鲲鹏服务器过程的工具。它主要安装在X86服务器上，用于分析可移植性和移植投入。该工具支持检查用户软件资源包（RPM、JAR、TAR、zip、gzip 文件）中包含的 SO 依赖库，并评估 SO 依赖库的可移植性；检查指定的用户软件安装路径下的 SO 依赖库，并评估 SO 依赖库的可移植性；检查用户软件 C/C++ 软件构建工程文件，并评估该文件的可移植性；以及检查用户软件 C/C++ 源码，并评估软件源文件的可移植性。

此外，Dependency Advisor 会自动分析并输出指导报告，提供软件移植报告以及移植工作量评估。它还支持命令行方式和 Web 两种工作模式。

鲲鹏代码迁移工具 Porting Advisor

Porting Advisor 是一款可以帮助开发者将应用从 x86 平台迁移到鲲鹏平台的代码迁移工具。具体功能包括：

  1. 分析可迁移性：Porting Advisor 可以分析用户的源代码以及相关依赖，判断其是否可以迁移到鲲鹏平台。
  2. 自动分析：Porting Advisor 可以自动分析出需要修改的代码内容，并给出修改建议。
  3. 提供指导：Porting Advisor 可以帮助开发者解决在迁移过程中遇到的问题，提供相应的解决方案。

使用 Porting Advisor 进行代码迁移可以降低人工排查的工作量，提高整体迁移效率。

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分析可迁移性
自动分析
提供指导

鲲鹏软件性能调优

鲲鹏软件性能调优流程

鲲鹏软件性能调优流程包括以下步骤：

  1. 建立基准：在优化或监视开始之前，首先要建立一个基准数据和优化目标。这包括硬件配置、组网、测试模型、系统运行数据（CPU/内存/IO/网络吞吐/响应延时等）。我们需要对系统做全面的评估和监控，才能更好的分析系统性能瓶颈，以及实施优化措施后系统的性能变化。优化目标即是基于当前的软硬件架构所期望系统达成的性能目标。
  2. 压力测试与监视瓶颈：使用峰值工作负载或专业的压力测试工具，对系统进行压力测试。使用一些性能监视工具观察系统状态。在压力测试期间，建议详细记录系统和程序的运行状态，精确的历史记录将更有助于分析瓶颈和确认优化措施是否有效。
  3. 性能分析：基于压力测试的结果，进行性能分析，找出性能瓶颈。这包括查找CPU、内存、I/O、网络等方面的瓶颈。
  4. 优化：根据性能分析的结果，采取相应的优化措施。优化的具体方法可能因系统和应用的不同而有所不同。
  5. 再测试：在实施优化措施后，需要重新进行压力测试和性能监视，确认优化效果。
  6. 迭代：性能调优是一个反复迭代的过程，需要持续进行，不断优化系统的性能。

以上就是鲲鹏软件性能调优的一般流程，具体实施时可能需要根据具体情况进行调整。

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循环
建立基准
压力测试与监视瓶颈
性能分析
优化
再测试
迭代

CPU与内存子系统性能调优

为了进行CPU和内存子系统的性能调优，可以采取以下措施：

  1. CPU方面：

    • 多线程优化：合理地利用多线程，将计算任务划分为多个线程并行执行，充分利用多核CPU的性能。
    • 减少上下文切换：减少线程之间的频繁切换，避免由于上下文切换带来的开销。
    • 缓存优化：充分利用CPU缓存，避免缓存未命中带来的性能损失。例如，使用局部性原理优化数据访问模式，减少缓存未命中。

  2. 内存方面：

    • 内存分配优化：合理设置内存分配策略，避免频繁的内存分配与释放。可以采用对象池、内存池等技术来优化内存管理。
    • 内存访问模式优化：充分利用局部性原理，优化内存的访问模式。例如，通过连续访问、对齐访问等方式减少内存访问的随机性。
    • 内存压缩与分片：对于内存占用较大的数据结构或对象，可以考虑进行内存压缩或分片，以减少内存占用和提高访问效率。

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CPU方面优化
多线程优化
减少上下文切换
缓存优化
内存方面优化
内存分配优化
内存访问模式优化
内存压缩与分片

另外，还可以通过性能监控和性能分析工具，对CPU和内存子系统进行监测和分析，找出性能瓶颈，并采取相应的优化策略。不同的应用场景和需求可能需要采取不同的优化手段，因此建议结合具体情况进行调优，并进行性能测试和评估，以验证优化效果。

网络子系统性能调优

对于网络子系统的性能调优，可以采取以下措施：

  1. 减少网络延迟：

    • 使用高性能网络设备：选择高性能的网络交换机、路由器等网络设备，以减少数据包的传输延迟。
    • 使用更快速的网络协议：例如，采用更快速的传输协议（如TCP Fast Open、QUIC）来减少握手延迟和连接建立时间。
    • 优化网络拓扑结构：合理规划网络拓扑结构，减少数据包的传输距离，降低网络延迟。

  2. 提高网络带宽：

    • 网络负载均衡：通过配置负载均衡设备或软件，将网络流量均匀分配到多个服务器上，提高整体网络带宽。
    • 数据压缩与加速：使用数据压缩和加速技术，减少数据传输量，从而提高可用带宽。
    • 增加带宽容量：升级网络设备，增加带宽容量，以满足高并发的网络请求。

  3. 优化网络协议和策略：

    • TCP/IP参数调优：根据具体应用场景，调整TCP/IP协议的参数，如窗口大小、拥塞控制算法等，以提高网络传输效率。
    • 数据包优先级管理：通过配置网络设备的QoS（Quality of Service）功能，对不同类型的数据包进行优先级管理，确保重要数据的及时传输。

  4. 缓存与缓冲区管理：

    • CDN加速：使用内容分发网络（CDN）来缓存静态资源，加快数据的传输速度。
    • 缓存技术应用：根据实际需求，合理地使用缓存技术，将热门数据、查询结果等缓存在内存中，加快数据访问速度。
    • 缓冲区大小优化：针对网络设备的缓冲区大小进行优化，避免过大或过小的缓冲区导致的性能问题。

此外，还可以通过监控和分析网络流量、延迟等指标，找出网络性能瓶颈，并进行相应的调优策略。综合考虑应用程序的特点、网络环境以及业务需求，选择合适的调优方案，并进行性能测试和评估，以验证优化效果。

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CPU方面优化
内存方面优化
CPU多线程优化
减少上下文切换
缓存优化
内存分配优化
内存访问模式优化
内存压缩与分片

磁盘I/O子系统性能调优

对于磁盘I/O子系统的性能调优，可以采取以下措施：

优化磁盘I/O性能的常见措施包括：

  1. 使用RAID技术：RAID技术可以提供更高的磁盘读写性能和冗余容错能力。

  2. 块大小优化：根据应用程序的访问模式和数据块大小，调整磁盘块的大小以提高磁盘I/O性能。

  3. 操作系统参数调优：操作系统参数调整相关参数来改善磁盘I/O性能。

  4. 文件系统选择与优化：选择适合特定应用场景的文件系统，并进行相应的优化。

  5. I/O缓存与缓冲区管理：I/O缓存和缓冲区管理技术来减少磁盘I/O操作次数。

  6. 应用程序优化：应用程序优化，减少不必要的磁盘I/O操作。

  7. 磁盘性能监控与故障诊断：磁盘性能监控磁盘的性能指标，及时发现潜在问题，并采取相应的故障诊断和修复措施。

这些措施综合起来可以提升磁盘I/O子系统的性能和可靠性。但需要根据具体情况进行调优，并进行性能测试和评估，以验证优化效果。

应用程序性能调优

对于应用程序的性能调优，可以采取以下措施：

  1. 代码优化：优化算法和数据结构和提高代码执行效率。
  2. 数据库优化：数据库索引优化和提高数据检索操作。
  3. 缓存技术应用：使用缓存技术和提高读取速度。
  4. 网络通信优化：减少网络请求次数和提高速度。
  5. 性能监控与调试：使用性能监控工具和评估系统的性能表现。

  1. 代码优化：

    • 优化算法和数据结构：选择高效的算法和数据结构，减少不必要的计算和内存消耗，提高代码执行效率。
    • 减少资源占用：及时释放不再使用的资源，避免资源泄露。合理使用内存、文件句柄、数据库连接等资源，避免资源瓶颈。
    • 并发编程优化：合理使用多线程、多进程或异步编程模型，利用多核处理器和异步操作提高并发性能。

  2. 数据库优化：

    • 数据库索引优化：分析数据库查询的频率和模式，创建适当的索引来加速数据检索操作。
    • 数据库连接管理：合理维护和管理数据库连接，减少连接的建立和关闭开销。
    • 批量操作和事务管理：将多个数据库操作批量提交或使用事务进行管理，减少单次数据库交互的次数，提高效率和数据一致性。

  3. 缓存技术应用：

    • 使用缓存技术：将频繁读取的数据缓存在内存中，减少对底层存储系统（如数据库）的访问，提高读取速度。
    • 合理设置缓存策略：根据数据的更新频率和重要性，设置合适的缓存策略，如缓存过期策略、LRU（最近最少使用）策略等。

  4. 网络通信优化：

    • 减少网络请求次数：合并多个网络请求、采用批量操作，减少网络开销和延迟。
    • 压缩和加速数据传输：使用数据压缩和加速技术，减少网络传输数据量，提高速度。

  5. 性能监控与调试：

    • 使用性能监控工具：通过监控工具来获取应用程序的性能指标，如CPU使用率、内存占用、数据库查询时间等，找出性能瓶颈和潜在问题。
    • 进行性能测试：模拟实际使用场景，进行负载测试和性能测试，评估系统的性能表现，及时发现和解决性能问题。

除了以上措施，还可以根据具体应用场景和需求进行针对性的优化。关注应用程序的瓶颈和低效点，不断进行测试和改进，以提高应用程序的性能和响应速度。同时，注意平衡性能调优和可维护性之间的关系，避免过度优化导致代码难以理解和维护。

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增加硬件资源
+增加CPU、内存和磁盘等硬件资源()
+使用更快的存储设备或网络传输设备()
调整软件参数
+调整操作系统或数据库的参数()
+调整Web服务器参数()
优化软件架构和设计
+应用合适的软件设计模式和开发框架()
+优化软件架构()
资源的合理利用
+减少访问磁盘次数()
+使用缓存技术对数据进行缓存()
进行性能测试和优化
+负载测试和性能测试()
+评估不同参数组合或优化技术()
系统监控和调试
+实时监控系统性能和资源利用率()
+收集日志信息()

基础软件性能调优

基础软件（如操作系统、数据库、Web服务器等）的性能调优，可以采取以下措施：

  1. 增加硬件资源：

    • 增加CPU、内存和磁盘等硬件资源，以提高基础软件的执行速度和并发处理能力。
    • 使用更快的存储设备或网络传输设备，以提高数据的访问速度和传输效率。

  2. 调整软件参数：

    • 根据应用的工作负载和硬件配置，调整操作系统或数据库的参数，以达到最优性能。
    • 对于Web服务器，可以调整连接池大小、缓存策略、请求过滤等参数，以提高并发处理和响应速度。

  3. 优化软件架构和设计：

    • 应用合适的软件设计模式和开发框架，以提高代码复用性和可维护性。
    • 良好的软件架构可以提高基础软件的并发处理能力和可扩展性。

  4. 资源的合理利用：

    • 对于数据库系统，可以通过使用数据库缓存、合理索引等手段，减少访问磁盘的次数，提高数据访问速度。
    • 对于Web服务器，可以使用缓存技术对经常访问的数据进行缓存，降低数据库访问的频率。

  5. 进行性能测试和优化：

    • 对基础软件进行负载测试和性能测试，找出瓶颈和性能瓶颈。
    • 评估不同参数组合或优化技术的性能效果，选择最优方案。

  6. 系统监控和调试：

    • 通过系统监控工具实时监控系统的性能、资源利用率等指标，在系统出现异常时及时进行调试和修复。
    • 收集日志信息，及时发现潜在问题，并对系统进行诊断。

除了以上措施，还可以根据不同的基础软件进行针对性的调优。例如，对于数据库系统，还可以使用分区、分片等技术，提高数据处理的并行性和可扩展性。对于Web服务器，还可以使用负载均衡技术，提高并发处理能力和可用性。总之，基础软件的性能调优需要多方面的考虑和综合处理。
应用程序读写优化机制

鲲鹏性能优化工具 Tuning Kit

Tuning Kit 是一款针对鲲鹏计算平台的性能分析和优化工具，能收集处理器硬件、操作系统、进程/线程、函数等各层次的性能数据，分析出系统性能指标，定位到系统瓶颈点及热点函数。

Tuning Kit 支持以下功能特性：

  1. 系统配置全景分析：采集整个系统的软硬件配置信息，分析并针对不合理项提供优化建议。
  2. 系统性能全景分析：借鉴业界的 USE（utilization、saturation、errors）方法，通过采集系统 CPU、内存、存储 IO、网络 IO 等资源的运行情况，获得它们的使用率、饱和度、错误等指标，识别系统瓶颈。
  3. 针对部分系统指标项，根据已有的基准值和优化经验提供优化建议。
  4. 系统资源调度分析：基于 CPU 调度事件分析 CPU 核、进程/线程在各时间点的运行状态，进程/线程切换情况，给出相应的优化建议。

Tuning Kit 可以帮助用户更好地了解系统性能，识别和解决系统瓶颈，提高系统整体效率。

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系统配置全景分析
系统资源调度分析
系统性能全景分析
针对部分系统指标项优化建议

鲲鹏BoostKit
鲲鹏开发者社区：https://www.hikunpeng.com/developer/boostkit
kunpengBoostKit 23.0
代码迁移模块
Kunpeng官方文档地址
https://www.hikunpeng.com/document/detail/zh/kunpengdevps/porting/qs/qs-pa-kunpengdevps.html
鲲鹏小智
https://www.hikunpeng.com/zh/airobot

参考文献：
[1]GB/T 7714：戴志涛、刘健培.鲲鹏处理器架构与编程:华为智能计算技术丛书[M].北京:清华大学出版社,2020.
[2]https://www.hikunpeng.com/
[3]戚正伟、管海兵.深入浅出系统虚拟化：原理与实践[M]北京:清华大学出版社,2021.

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