CPU Registers'un Debugging ve Profiling'deki rolünü anlamak

Modern yazılım geliştirme, kodların donanım seviyesinde nasıl işlediği konusunda kesin bir anlayış gerektirir. CPU kayıtları bir işlemcideki en hızlı bellek yerlerine hizmet eder, eğitim operaları, bellek adresleri ve orta hesaplama sonuçları.For developers working on performance-sensitive systems, host, game engines, or real-time applications, the ability to testing and comments state can turn an opaque crash and turn a sluggish rutin into an optimize hot road.

Kayıtlar soyutlama değildir; CPU'daki fiziksel depolama hücreleri, işlemcinin tek bir saat döngüsünde eriştiği anlamına gelir. RAM veya önbellek aksine, kayıtlar üç ila beş lens döngüsüne kadar giriş yapamazlar - doğrudan bir dizi analizsel mantık ünitesine ve kontrol ünitesine bağlanırlar. Bu, bir kayıtta bulunan herhangi bir değişken veya noktanın bunları nasıl okuyabileceği veya yaz aylarında yazılabilir, L1 önbelleklinde üç ila beş lensin üzerinde veriyi nasıl tanımlayabilirsiniz.

CPU Registers Anatomisi

Kayıtlardan etkin şekilde yararlanmak için, hedef mimarisinizde hangi kayıtların var olduğunu ve nasıl kullanıldığını net bir zihinsel modele ihtiyacınız var. tam kayıt dosyası x86, ARM ve RISC-V arasında farklılık gösterirken, birkaç kategori evrenseldir.

General-Purpose Registers

Bunlar, keyfi verileri tutan iş bloglarıdur - RST, R8 aracılığıyla R15. ARM64, x86-64, genel amaçlı kayıtlar, RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP ve R8'i X30 üzerinden sunar.

Özel-Purpose Registers

Bazı kayıt CPU işleminde özel rollere sahiptir:

  • [FONT=0)Instruction Pointer / Program Counter (RIP on x86-64, PC on ARM, RISC-V'de PC:) Bir kaza gerçekleştiğinde, talimat noktası, hatanın gerçekleştiği tam montaj hattını tutmaktadır.
  • [FONT=0)Stack Pointer (RSP x86-64, SP'de ARM'de):) Mevcut yığınların üst kısmındaki yığınlama veya bozulmuş yığın noktalarının ortak bir belirtisidir, çöp parçaları kırılır veya dengesiz, ya da dengesiz olmayan bir işlev çağrıları.
  • [FONT=0)Frame Pointer / Base Pointer (RBP x86-64, X29 ARM64):) Genellikle yerel değişkenleri ve önceki çöp çerçevelerini referans etmek için kullanılır.En optimize edilmiş kodda, derr doğrudan çatı noktası kullanabilir ve yığınını kullanabilir, bu da bir kayıt tasarrufu sağlar.
  • [FONT=0]Flags / Status Register (RFLAGS x86, NZCV'de ARM'de):[Dönemli bir şube veya beklenmedik bir geçiş, bayraklar, uçlar ve işaret bayraklar gibi durumlardan hemen önce teşhis edilebilir.

Vector ve SIMD Registers

Modern CPUlar tek katlı çoklu yapı işlemleri için geniş kayıtlar içerir. x86'da bu kayıtlar XMM (128-bit), YMM (256-bit), ve ZMM (512-bit) kayıtlarının bu paketleme işlemlerinin doğru olduğunu doğrulamaları gerekir.

Kontrol ve Debug Registers

x86, DR0-DR7'yi bu destek donanım noktalarına destek vermektedir. Bu, eğitim adreslerine değil hafıza erişim noktalarına geçiş yapmanızı sağlar. Örneğin, belirli bir hafıza yeri yazıldığında DR0'yi kırabilirsiniz, bu da yolsuzluk veya yarış koşullarını takip etmek için paha biçilmez.

Debuggingte Registers kullanarak

Kayıtlarla birlikte kayıtlar sadece şaka yürütmenin ötesine geçiyor ve değişken değerlere bakıyor. CPU'nun ne yaptığını, derleyici optimizasyonların bağımsız, kaynak düzeyinde özetleme veya debugger sembolü haritalarını gördüğünüzde, bir debugger size “yerels” penceresini gösteriyor, neredeyse her zaman kayıtlardan veya hafıza yerlerden okuyor.

Kayıt Devleti'ni Breakpoints'te Teşvik Etmek

Her büyük debugger, tam kayıt dosyasını terk etmek için komutlar sağlar. GDB'de, komutruk:0) Tüm genel amaçlı ve özel amaçlı kayıtları gösterir. LLDB'de, 03.4. Aynı işlevi yerine, Visual Studio veya WinDbg'de, Outlook pencere güncellemelerini talimatlarına adım attığınızda, RDI'ya ilk kez, RDX'e ait bir not ortalamasının x64'e kadar olduğunu gösterir.

Step-by-Step Execution ve Register Takip

Kayıt değerlerinin değiştiğini izlemek için tek adım, karmaşık bir algoritmayı anlamak veya ince bir hata bulmak için en etkili yollardan biridir.Bir işlev girişinde bir mola noktası oluşturmak için başlayın, sonra da [[GDB) veya [[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD) veya DÖRTÜŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEĞİVERSÜŞÜNEŞÜNÜŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNEŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ

Modals Test Edilmesi için Kayıtları Değiştirin

Kayıtlar bir caydırma oturumu sırasında takdir edilebilir ve başarısız bir koşul kontrolünü atlatmak veya bir duruma geri yüklemek için belirli bir giriş yapmak için değerleri değiştirebilirsiniz. Örneğin, bir işlev RAX'te saklanan bir hata kodu döndürürse, bir başarı yolunu sıfıra doğru ayarlarsınız ve aşağılayıcı mantığı test edebilirsiniz.

Donanım Breakpoints and Watchpoints

Belirli bir talimat adresi geldiğinde veya bellek yerini takip etmek için bir bellek noktası oluşturmak için, GDB'de bir bellek adresi üzerinde talimatlar değiştirmek, kullanım için donanım noktaları kullanmak.Sesmeler, notlama adresi yazılırken, debug notları durdurmak ve mevcut kayıt durumunu göstermek için kayıt dışı tutmak için gereklidir.Bu mekanizmayı takip etmek için gereklidir.Bu yöntem, bellek süresini takip etmek için gereklidir.In x86,0-6 puanını içerir.

Profiling için kayıt analizi

Kayıtlarla profilleme talimatları saymaktan veya önbellek kaçıranları ölçmenin ötesine geçer. Kompucun ve CPU kullanımı kayıtlarının nasıl etkilendiğini anlamak, kayıt basıncının performanslarını nasıl etkilediği ve kayıt işlemlerine bağlı olan donanım performans sayacı olayları nasıl yorumlayacağımızı içerir.

Register Pressure and Spill Analysis

Bir işlevdeki canlı değişken sayısı mevcut genel amaçlı kayıt sayısını aşıyorsa, derleyicinin yığınına bazı değişkenleri “spill” gerekir.Her bir dökme hafızaya ve sonraki bir yüke bir mağaza gerektirir, ki geç kalmış ve uygulama port bant genişliğine sahiptir. Yüksek kayıt basıncı iç döngülerde ortak bir performans şişesidir.

Aşırı dökmeyi tespit etmek için, oluşturulan montajı sık sık sık inceler.In Intel işlemcileri, olay 03: 00) veya [[Döneticileri tarafından takip edilen sürümler ile ilişkili olabilir.Eğer sıcak bir işlev yük ve mağazaları takip etmek için önemli bir parça harcayabilirse, bu yükleri görmek için toplantıyı kontrol edebilir veya yükleme fonksiyonlarını kontrol edebilirsiniz.

Kayıt Etkinlikleri için Performans Counters

Modern CPUlar, mikroarşist düzeyde olayları takip eden zengin bir performans izleme sayacı sağlar. Tüm olaylar doğrudan kayıt odaklı olmasa da, birkaçı alakalı:

  • [FONT:0)Instructions emekli oldu:[Döneticiler, kayıt işlemleri dahil olmak üzere toplam talimatlar.
  • [[Uops belirli limanlarda infaz edildi: ALU ops gibi kayıt işlemleri genellikle limanlarda 0, 1, 5 veya 6 tane son Intel çekirdeği üzerinde çalışır.Eğer port kullanımı dengesizyse, kayıt yeniden yazma veya okuma sonrası tehlikelerle durdurulabilir.
  • [FONT:0]Ödücü okuma ve yazma tezgahları:) Bazı mimarlıklar kayıt dosyasının port içeriği nedeniyle yeterince operaz tedarik edemeyeceğinde olayları ortaya koyar.
  • [FONT:0]Branch yanlış tahminler: Bu, kayıt yeniden ifade edilen devletin, boşanmış döngülere yol açan boru hatlarına neden olur.

LinuxFL: 15 gibi araçlar, Intel VTune ve AMD uProf bu olayları toplayabilir. Örneğin, çalışanETHFLT:16, bir test programına kodla ilgili tezgahlarla bağlı olup olmadığını ortaya çıkarabilir. VTune'nin Microarchitecture Exploration analizi, ön uçlu, kötü spekülasyonlar, geri uçlu ve yeniden tiring. yüksek "kötü spekülasyonlar" metrik olarak kayıt altına alınması için doğrudan bir kesinti sağlar.

Analyating Education Bağımlılık Zincirleri

Kayıtlar bir veri akışı grafiğindeki düğümlerdir. Her bir talimat kaynak kayıtlarından okur ve varış kaydına yazmaktadır. Bu bağımlılıklar, yürütmenin kritik yolunu belirleyen zincirler yaratır.Bir bağımlı kayıt işlemleri zinciri CPU tarafından paralelleştirilemez, bu yüzden zincir uzunluğu doğrudan hesaplamaya ihtiyaç duyulan döngüleri etkiler.

Bağımlılık zincirlerini analiz etmek için, bir talimat hedefinin herhangi bir bağımsız çalışma olmadan bir sonraki talimatda kaynak olarak kullanıldığı desenlere bakın. Örneğin:


mul r1, r2, r3 ; r1 = r2 * r3
add r4, r1, r5 ; r4 = r1 + r5 (depends on r1)
sub r6, r4, r7 ; r6 = r4 - r7 (depends on r4)

Bu üç talimatların zinciri, paralel olarak diğer bağımsız talimatları yerine getirmek için geç bir döngüye sahiptir, ancak bu zincir kritik yolu oluşturursa, devre dışı geçiş süresi geç zincirden daha kısa olamaz.

Mimarlık-Specific Registerations

Bu farklılıkları anlamak mimarlıklar arasında ayrım yapmak ve profillendirme için önemli olan kayıt davranışı, portatif profilleme kodu yazmanıza ve debug çıktısını doğru şekilde yorumlamanıza yardımcı olur.

x86 / x86-64

x86 mimarisinin nispeten küçük genel amaçlı kayıt dosyası (8 32-bit, R8-R15) dahil olmak üzere 64-bit üzerinde 16. Bu genellikle RISC mimarisine kıyasla daha yüksek kayıt basıncına yol açıyor. AVX-512 uzantılı 32 ZMM kaydına ekleniyor, ancak kullanımları açık vektörelleştirme gerektirir.

ARM64

ARM64, X0-X30'u, x86'ya kıyasla kayıt baskıyı azaltan 31 genel amaçlı kayıt X0-X30'u sunar. Bununla birlikte, çağrı kongre rezervleri X29'u çerçeve noktası ve X30'u bağlantı kaydı olarak (dönüşüm adresi), 28 özgürce tümocatable kayıtlarını yaprak işlevlerinde bırakarak. NZCV bayrakları kayıt altına almak ve x86'ya benzer şekilde yazılır.

RISC-V

RISC-V 32 tam kayıt (x0-x31), x0 sert telli sıfıra kadar. çağrıda belirtilen kayıt rollerini (ra, sp, gp, tp, t0-t6, s0-s11, a0-a7) içerir. Kontrol ve statü kayıtları (CSRs) bir döngü sayacı, zamanlayıcı ve profilleme için yararlı olan komutları tanımlar. RISC-V'nin tasarım basitliği vurgular, bu yüzden açık karşılaştırma talimatları yoktur.

Register-Driven Debugging için Pratik İş Akışı

Sistemli hipotez testleriyle kayıt denetimini birleştirmek bir hatayı çözmenin en hızlı yolunu sağlar. İşte mimarlık ve debuggers arasında geçerli olan bir iş akışıdır.

  1. [FONT=0) Kaza durumu:[Dönetici:[Dönetici] Bir program çökerken, talimat noktasını kaydeden (bir bellek ihlali) ve kaza sırasında kayıt değerleri otomatik olarak bunu yapar. Çoğu debuggers bunu daha sonra analiz için tam kayıt dosyasını kurtar.
  2. [FONT=0) Öğretim noktasını kontrol edin:[Dönetici:[Dönetici:0) Uygulamanın geçerli bir adresi olup olmadığını görmek için RIP'de talimat devre dışı bırakmak.If the order is a memory access (e.g., 03.)
  3. [FONT:0]Trace geriye:[Dönetici:0)[Dönetici:0)Trace geriye dönük olarak geri dön:[Dönetici:0))"[Dönetici kayıt değerinin nereden geldiğini bulmak için hata talimatından geri dön.
  4. [FONT:0]Validate varsayımları:[Dönetici:0) Belirli bir kayıt, bilinen bir değeri tutmalı, kaynağı kodu doğrulayın. Örneğin, bir işlev RSI'deki ikinci argümanını beklerse, RSI'de çağrı siteyi görmeye geri adım atıyorum, RSI'de doğru değeri mi yoksa kongrenin ihlal edilip etmeyeceğini görmek için.
  5. [FONT:0) Kayıt değerleri üzerinde koşullu kırılma noktaları kullanın:) Kayıtta yalnızca belirli bir değere eşitken tetiklenen bir parça ayarlayabilirsiniz.In GDB:DAND: 03: 00) Bu, belirli bir veri değeri kritik bir işlevden geçtiğinde bulmak için kullanışlıdır.

Register-Driven Profiling için Pratik İş Akışı

Kayıtlarla profil yapmak, araç tabanlı ölçüm ve manuel montaj denetiminin bir kombinasyonunu gerektirir. Aşağıdaki adımlar kodunuzda kayıt ile ilgili performans sorunlarını belirlemenize yardımcı olur.

  1. [FONT:0) Sıcak işlevleri ortadan kaldırma:[Dönetici:[Dönetici:0)En çok CPU zamanını kullanan işlevleri bulmak için örnek bir profilleyici kullanın.
  2. [FONT=0) Oluşturulan topluluğun ([Dönetici) ve (veya) tarafından kullanılan sıcak döngüler için montajı (C) veya debugger'in dislokasyon komutlarını arayın.Sürekleme ve geri yüklemeleri, uzun bağımlılık zincirlerini arayın ve kayıt dışı geçişler.
  3. [FONT:0]Kırıklık kaydı ile ilgili olaylar:[Dönetici: {0) {0}[0|0|Ködüller: {0|0|Köpektifler, {0|0|0|0|0|Köpücükler, {0|0|0|0|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|-)
  4. [FONT:0]Farklı tahsisler:[Dönetici:0) Eğer kayıt baskısını kaydederseniz, sıcak işlevi daha küçük işlevleri bölmeye veya performans değişikliklerini kullanarak göz önünde bulundurun.Eğer değişimden önce ve sonrasındaki dökülme talimatlarının sayısını karşılaştırın.
  5. [FONT:0] Mikroarite analizi ile ilgili olarak işaret:[Dönetici:[Dönetici:0) Intel VTune'nin Mikroaritecture Keşif veya AMD'nin uProf'ı yüksek seviyeli bir kanal kullanımı için. "Retiring" metric düşük ve "Back-Bit Bound" yüksek ise, kayıt ile ilgili şişeler muhtemelen katkıda bulunuyor.

Kayıt için araç ve kaynaklar -Level Debugging ve Profiling

Aşağıdaki araçlar, eyalet ve donanım performans olayları kaydetmek için derin erişim sağlar. Her biri farklı kullanım vakalarında güçlü yönleri vardır.

GDB ve LLDB

GDB ve LLDB, Unix benzeri sistemlerdeki birincil debuggers. Her iki destek tam kayıt denetimi, modifikasyon, donanım uçları ve izleme noktalarıdır. GDB'nin GDB'sDANT:28) modu, kayıt durumunu tam olarak gömülü sistemler için yararlı olan bir dizi veya ağ üzerinden takip eder. LLDB, Clang derleyici ile sıkı bir şekilde entegre eder ve kayıt analizi için Python senaryolu bir arayüz sunar.

Intel VTune Profiler

VTune, kayıt kullanımı metrikleri, boru hattı tezgah analizi ve montaj seviyesinde bir notasyon içeren donanım seviyesinde profilleme sağlar.XTune, Microarchitecture Exploration view view, Intel işlemcilerini en son Xeon Scalable ve Core Ultra serisi aracılığıyla nasıl harcadığını gösterir.

Linux Perf

Örnek olarak, Intel Skylake'de (event 0x0C) kayıt defterinin önlenme süresine dikkat etmek için kayıt işlemine izin vermeniz gerekir.Inglish: For example, on Intel Skylake, the event for the event for the event for the event for the dashboard. (event 0x0C, umask 0x02) notu verme işlemine izin verilen not ortalamasının aynı zamanda kayıt talimatlarını kayıt altına alma işlemine işaret eder.

WinDbg

WinDbg, Windows çekirdeği ve kullanıcı-mode debugging için birincil hatadır. Kayıt gösterisi, modifikasyon ve donanım uçları desteği sağlar.TheurFLT:34} komut şovları ve kayıtlar ([DDDDDbg, 0:36) WinDbg ayrıca JavaScript veya Python uzantıları aracılığıyla kayıt analizini destekler.For core debugging, theyuvalt.

Gömülü Debuggers (J-Link, OpenOCD, Lauterbach)

gömülü sistemler için, debug probes, JTAG veya SWD arabirimleri aracılığıyla CPU kayıtlarına doğrudan erişim sağlar. J-Link's GÜNC:38) ve RISC-V için, diğer mimariler için tam kayıt dosyasını atabilir. OpenOCD, tüm hedef kayıtları standart bir debugger'den erişilebilir kılan bir GDB sunucusu sunar. Lauterbach'ın TRACE32 ARM, RISC-V ve diğer mimariler için derin kayıt havuzu ve performans sayacı sunar.

Ortak Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırmak

Kayıtlarla birlikte, debugger seviyesindeki kayıtlarla çalışmak, bağlam hakkında dikkatli değilseniz yanlış yorum yapmaya yol açabilir. İşte en sık hatalar ve onları nasıl yönlendireceğinizi.

  • [[Dönetici:0) Kaynak düzeyinde değişken değerleri kayıt üzerinden kaydetmek:[Dönetici 1) Bir kayıt için optimize edildiğinde, debugger bunu ") veya kayıt doğrudan okuyarak kritik değerleri doğrulayabilir.
  • [FONT:0)Misreading the call kongre: Farklı işletim sistemleri farklı sözleşmeler kullanır. Windows x64'te ilk dört tamsayılı tartışma RCX'de, RDX, R8, R9, RDX, RDX, RDX, RDX, R8, R9. Yanlış kayıtta yanlış kaydınızı size verirsiniz.
  • [FONT:0) Komplike optimizasyonların etkisini göz önünde bulundurun:[Döneticileri, reorder talimatları veya değişkenleri tamamen ortadan kaldırabilirsiniz.Bir uç noktada gördüğünüz kayıt durumu doğrudan kaynak kodu yapısına karşılık gelmez.
  • [FONT:0)Etkinlik vektörü kayıt durumu:[D kodundaki birçok performans böcek yanlış şerit atama veya uygunsuz maskelemeden geliyor. Her zaman tam vektör kayıt genişliğini inceler, sadece ilk element değil.
  • [FONT:0) Kayıt değerleri iş aramalarında devam ediyor: Çoğu çağrıda yer alan kayıtların (RBX, RBP, R12-R15 x64) altında tutulması gerekir, çağrıcı-savunma kayıtları (RAX, RCX, RDX, RSI, RDI, R8-R11) bir çağrıdan sonra, sadece çağrıyı takip edebilir.

Kayıt Analizinizi Geliştirme Döngüsüne Bütünleme

Kayıt analizini, tutukluluk ve profilleme uygulamanızın rutin bir parçası haline getirmek için, aşağıdaki alışkanlıkları iş akışınıza dahil etmek.

  • Her zaman temel çöpleri geliştirme ortamlarda sağlar. Bir temel çöp, interaktif bir debugger oturumu dışında meydana gelen kazaları incelemenize izin verir.
  • Bu bilgi genellikle üretim çabalarınızı azaltır. bir otobüsle yapılırken, RIP, RSP'nin içeriğine sorun ve hata adresini tutan kayıt.Bu bilgi genellikle üretim çabalarınızı azaltır.
  • Performans-kahkade işlevleri için montaj yapan birim testleri yazın, doğrusal montaj veya intrinsic işlevleri bu özel kayıt işlemlerinin geçncy veya throughput garantilerle karşı karşıya olduğunu doğrulamanız için kullanabilirsiniz.
  • Hedef mimarisiniz için montaj okumayı öğrenin. Bir uzman olmanıza gerek yok, ancak ortak kalıpları tanıma yeteneği (işleme prologue, kongre kurulumu, dökme, işlev epilog) kayıt tabanlı debugging için dramatik hızlar.
  • Sürekli bir bütünleme olarak donanım performans sayacı kullanın. Öğretim sayımı, şube yanlışlığı oranı ve kayıt tahsisi ile ilgili değişikliklerden kaynaklanan performans gerilemelerini tespit etmek için önbellekleme oranını kullanın.

Ayrıca okuma ve referanslar

Kayıt seviyesindeki debugging ve profilleme anlayışını derinleştirmek için aşağıdaki kaynakları inceleyin:

  • [FONT:0]Intel 64 ve IA-32 Mimarlık Yazılım Geliştirici Manuals[[DÜT:1) - x86 kayıt davranışı, talimat kodlaması ve performans izleme olayları için kesin referans.
  • [FONT:0]ARM Mimarlık Referans Kılavuzu ARMv8-A) için eksiksiz belge - bug ve performans izleme kayıtları dahil olmak üzere ARM64 kayıt için tam dokümanlar.
  • [FONT=0]Agner Fog'un Öğretim Masaları ve Optimizasyon Kılavuzları[[Dönetici: 1) - X86 talimatları için ayrıntılı geç erişim ve bağlantı noktası, bağımlılık zinciri analizi için gerekli.
  • [FONT=0)GDB Dokümantasyon[[Dönetici: 1) Tüm kayıt ile ilgili komutları kapsayan resmi el kitabı, donanım uçları ve saat noktaları da dahil.

Mastering kayıt analizi, yazılımınızın davranışı hakkında bir hikaye anlatıyor ve performans sayacınızı optimizasyona entegre ederek, daha yüksek seviyeli profilli profilçiler ortaya çıkarabileceğiniz performans kazanımlarını çözebilirsiniz.