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ARM如何利用PMU的Cycle Counter（时钟周期）来计算出CPU的时钟频率

news 2025/7/1 23:26:47

本章将学习如何利用ARM PMU的Cycle Counter，来计算出CPU的时钟周期，从而计算出CPU的时钟频率。在介绍计算方法前，有必要先介绍下什么是时钟周期、机器周期以及指令周期。

如何计算出CPU的时钟频率

一，时钟周期，机器周期以及指令周期
- 1.1 时钟周期（clock cycle）以及时钟频率（clock frequency）
- 1.2 机器周期（Machine Cycle）/ CPU周期（CPU Cycle）
- 1.3 指令周期（Instruction Cycle）
- 1.4 指令周期、机器周期以及时钟周期之间的关系
二，PMU 的Cycle Counter
- 2.1 PMCCNTR_EL0, Performance Monitors Cycle Count Register
三，如何计算出CPU的时钟频率
四，参考文档

一，时钟周期，机器周期以及指令周期

1.1 时钟周期（clock cycle）以及时钟频率（clock frequency）

同学们是否还记得数电里学过的同步时序逻辑电路：电路里的所有触发器都是同一个时钟脉冲源，触发器的状态会与该时钟脉冲信号同步，即一个时钟脉冲到来，所有触发器的状态就改变一次。CPU与之类似，需要给CPU灌入一个连续的时钟脉冲信号，每一次脉冲到来，CPU内的晶体管就改变一次状态，而源源不断的时钟脉冲正是CPU能够执行计算任务的关键。

在这里插入图片描述
如上图所示，脉冲信号做出周期变化的最短时间称之为震荡周期，也称为 CPU 时钟周期。它是计算机中最基本的、最小的时间单位。周期的倒数就是频率，所以我们很容易得出时钟频率和时钟周期的关系：
$时钟频率=\frac{1}{时钟周期}$
即一秒（1 s）内，发出的震荡脉冲个数为时钟频率。我们经常讲某个CPU的主频是多少GHz、多少MHz，并认为CPU的频率越高，其运算性能越强。从时钟频率的原理分析可知：时钟频率越高，一秒内发出的脉冲个数越多，CPU内的晶体管状态变化次数越多，即CPU的运算速度越快。
事实上，每个CPU，或者每个芯片都有自己的正常工作频率范围（在最小工作频率和最大工作频率之间）。时钟频率越高，晶体管状态变化越频繁，当晶体管未及时更新状态，而下一个脉冲信号就已经到来时，CPU有可能进入未知的状态，不能正常工作。

1.2 机器周期（Machine Cycle）/ CPU周期（CPU Cycle）

机器周期也称为CPU周期。
在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。
例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作（注意：每一个基本操作都是由若干CPU最基本的动作组成）。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。（原文)
机器周期是为了实现指令流水线而引入的概念，实际上对应的是指令流水线的各个阶段，称之为流水阶段（或功能段，流水级等）。
从下图可知，一个机器周期包含了若干个时钟周期：
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1.3 指令周期（Instruction Cycle）

CPU从存储器中取出并执行一条指令所需的全部时间称之为指令周期。一个指令周期通常用需要几个CPU周期来表示：
在这里插入图片描述
指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。
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1.4 指令周期、机器周期以及时钟周期之间的关系

简单概括就是：一个指令周期，包含多个 CPU 周期，而一个 CPU 周期包含多个时钟周期。

二，PMU 的Cycle Counter

PMU模块里有一个64-bit 位宽的计数器cycle counter，这个cycle counter的计数频率为CPU的时钟频率。可以通过读取寄存器 PMCCNTR_EL0 或者 PMCCNTR来获取当前cycle counter里的clock cycle。

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2.1 PMCCNTR_EL0, Performance Monitors Cycle Count Register

寄存器PMCCNTR_EL0保存着CPU的cycle counter的值，记录着CPU时钟周期数（ clock cycles）。AArch64系统寄存器PMCCNTR_EL0[63:0]映射到AArch32的PMCCNTR[63:0]。
需要注意的是：

尽管arm体系结构要求PMCCNTR_EL0 或PMCCNTR的直接读取按程序顺序进行，但并不要求在两次这样的读取之间计数增加。即使cycle counter在每个时钟周期中都在增加，软件也可能需要检查两次读取计数器之间的差是否为非零。
WFI 和WFE指令或造成CPU 时钟停止，进入standby模式。此时所有计数器的时钟频率也会发生变化。这意味着当时钟被WFI和WFE指令停止时，PMCCNTR_EL0是否会继续计数是受约束的，不可预测的。

使用如下指令即可读取CPU时钟周期数（ clock cycles）到指定寄存器：

;AArch64:
MRS <Xt>, PMCCNTR_EL0
;AArch32:
MRC{<c>}{<q>} <coproc>, {#}<opc1>, <Rt>, <CRn>, <CRm>{, {#}<opc2>}

三，如何计算出CPU的时钟频率

我们有了上文的基础知识作为铺垫，就可以来计算CPU的时钟频率了。基本原理如下：

在固定时间T内记录下CPU经过的时钟周期数C。
CPU的时钟频率F可得：
$时钟频率F=\frac{时钟周期数C}{固定时间T}$

所以我们的程序伪代码可以这样写：

cycle1 = Read_PMCCNTR();
wait(10);//wait 10s
cycle2 = Read_PMCCNTR();
freq = (cycle2-cycle1)/10;

至于延时函数wait()，可以使用ARM CPU内部的generic timer或者 system counter来实现延时。

四，参考文档

https://wenwen.sogou.com/question/q660822487.htm
https://blog.csdn.net/weixin_37641832/article/details/88920468
https://zhuanlan.zhihu.com/p/461519409