Question

在最近的CPU上（至少在过去十年左右），除了各种可配置的性能计数器之外，英特尔还提供了三个固定功能硬件性能计数器。三个固定计数器是：

INST_RETIRED.ANY
CPU_CLK_UNHALTED.THREAD
CPU_CLK_UNHALTED.REF_TSC

第一个计算退役指令，第二个计算实际周期，最后一个是我们感兴趣的。英特尔软件开发人员手册第3卷的描述是：

此事件计算TSC速率时的参考周期数核心不处于暂停状态而不处于TM停止时钟状态。该当核心运行HLT指令时，核心进入暂停状态 MWAIT指令。此事件不受核心频率的影响改变（例如，P状态）但是以与时间相同的频率计数邮票柜台。此事件可以近似核心的经过时间没有处于暂停状态而且没有处于TM stopclock状态。

因此，对于CPU绑定循环，我希望此值与从rdstc读取的自由运行TSC值相同，因为它们应该仅针对暂停的循环指令或“TM stopclock states”进行分歧“是。

我使用以下循环（整个standalone demo is available on github）测试：

for (int i = 0; i < 100; i++) {
    PFC_CNT cnt[7] = {};

    int64_t start = nanos();
    PFCSTART(cnt);
    int64_t tsc =__rdtsc();
    busy_loop(CALIBRATION_LOOPS);
    PFCEND(cnt);
    int64_t tsc_delta   = __rdtsc() - tsc;
    int64_t nanos_delta = nanos() - start;

    printf(CPU_W "d" REF_W ".2f" TSC_W ".2f" MHZ_W ".2f" RAT_W ".6f\n",
            sched_getcpu(),
            1000.0 * cnt[PFC_FIXEDCNT_CPU_CLK_REF_TSC] / nanos_delta,
            1000.0 * tsc_delta / nanos_delta,
            1000.0 * CALIBRATION_LOOPS / nanos_delta,
            1.0 * cnt[PFC_FIXEDCNT_CPU_CLK_REF_TSC]/tsc_delta);
}

定时区域唯一重要的是busy_loop(CALIBRATION_LOOPS);，它只是一个紧密的易失性商店循环，gcc由clang和void busy_loop(uint64_t iters) { volatile int sink; do { sink = 0; } while (--iters > 0); (void)sink; }按一个周期执行迭代最近的硬件：

PFCSTART

PFCEND和CPU_CLK_UNHALTED.REF_TSC命令使用as compiled读取__rdtsc()计数器。 rdtsc是通过nanos()指令读取TSC的内在函数。最后，我们使用int64_t nanos() { auto t = std::chrono::high_resolution_clock::now(); return std::chrono::time_point_cast<std::chrono::nanoseconds>(t).time_since_epoch().count(); }来衡量实时，这只是：

cpuid

是的，我没有发出CPU# REF_TSC rdtsc Eff Mhz Ratio 0 2392.05 2591.76 2981.30 0.922946 0 2381.74 2591.79 3032.86 0.918955 0 2399.12 2591.79 3032.50 0.925660 0 2385.04 2591.79 3010.58 0.920230 0 2378.39 2591.79 3010.21 0.917663 0 2355.84 2591.77 2928.96 0.908970 0 2364.99 2591.79 2942.32 0.912492 0 2339.64 2591.77 2935.36 0.902720 0 2366.43 2591.79 3022.08 0.913049 0 2401.93 2591.79 3023.52 0.926747 0 2452.87 2591.78 3070.91 0.946400 0 2350.06 2591.79 2961.93 0.906733 0 2340.44 2591.79 2897.58 0.903020 0 2403.22 2591.79 2944.77 0.927246 0 2394.10 2591.79 3059.58 0.923723 0 2359.69 2591.78 2957.79 0.910449 0 2353.33 2591.79 2916.39 0.907992 0 2339.58 2591.79 2951.62 0.902690 0 2395.82 2591.79 3017.59 0.924389 0 2353.47 2591.79 2937.82 0.908047，并且事情没有以精确的方式交错，但校准循环是一整秒，所以这样的纳秒级问题只是被稀释到或多或少什么都没有。

启用TurboBoost后，这是我的i7-6700HQ Skylake CPU上典型运行的前几个结果：

REF_TSC

此处，rdtsc是如上所述的固定TSC性能计数器，rdtsc是Eff Mhz指令的结果。 Ratio是在该时间间隔内有效计算的真实CPU频率，主要是为了好奇而显示，以及快速确认涡轮增压的数量。REF_TSC是rdtsc和rdstc的比率CPU# REF_TSC rdtsc Eff Mhz Ratio 0 2592.26 2592.25 2588.30 1.000000 0 2592.26 2592.26 2591.11 1.000000 0 2592.26 2592.26 2590.40 1.000000 0 2592.25 2592.25 2590.43 1.000000 0 2592.26 2592.26 2590.75 1.000000 0 2592.26 2592.26 2590.05 1.000000 0 2592.25 2592.25 2590.04 1.000000 0 2592.24 2592.24 2590.86 1.000000 0 2592.25 2592.25 2590.35 1.000000 0 2592.25 2592.25 2591.32 1.000000 0 2592.25 2592.25 2590.63 1.000000 0 2592.25 2592.25 2590.87 1.000000 0 2592.25 2592.25 2590.77 1.000000 0 2592.25 2592.25 2590.64 1.000000 0 2592.24 2592.24 2590.30 1.000000 0 2592.23 2592.23 2589.64 1.000000 0 2592.23 2592.23 2590.83 1.000000 0 2592.23 2592.23 2590.49 1.000000 0 2592.23 2592.23 2590.78 1.000000 0 2592.23 2592.23 2590.84 1.000000 0 2592.22 2592.22 2588.80 1.000000列。我预计这将非常接近1，但在实践中我们看到它在0.90到0.92之间徘徊并伴随着很多变化（我在其他运行中看到它低至0.8）。

图形上看起来像²：

libpfc

hlt调用几乎返回精确结果¹，而PMU TSC计数器遍布整个地方，有时几乎低至2300 MHz。

如果我关闭turbo ，结果会更加一致：

mwait

基本上，该比率为1.000000至 6位小数。

以图形方式（Y轴刻度强制与上一图相同）：

现在代码只是运行一个热循环，并且应该没有2591.97 MHz或rdstc指令，当然没有任何暗示变化超过10％的指令。我不能说肯定什么是“TM停止时钟周期”，但我敢打赌它们是“热管理停止时钟周期”，这是一种用来临时限制CPU的技巧它的最高温度。然而，我查看了集成的热敏电阻读数，我从未看到CPU突破60C，远远低于90C-100C，正常管理开始（我认为）。

知道这可能是什么？在不同的turbo频率之间是否存在隐含的“停止周期”？这肯定发生，因为盒子不安静，因此涡轮增压频率随着其他核心开始和停止工作在背景材料上跳跃（最大涡轮机频率直接取决于活动核心数量：在我的盒子上它是3.5， 3.3,3.2,3.1 GHz分别用于1,2,3或4个核心活动。

¹事实上，有一段时间我真的得到精确结果到两位小数：ntpd - 迭代后的迭代。然后一些事情发生了变化，我不确定是什么，rdtsc结果中的变化很小，约为0.1％。一种可能性是逐步调整时钟，由Linux时序子系统进行调整，以使本地晶体导出的时间与{{1}}确定的时间内联。也许，它只是一个晶体漂移 - 上面的最后一个图表显示每秒{{1}}的测量周期稳定增加。

²图表与文本中显示的值的运行不对应，因为每次更改文本输出格式时我都不会更新图表。然而，定性行为在每次运行时基本相同。

英特尔失去了周期？ rdtsc和CPU_CLK_UNHALTED.REF_TSC

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