lib/libpmc/pmc.3

   1 .\" Copyright (c) 2003-2008 Joseph Koshy.  All rights reserved.
   2 .\"
   3 .\" Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   4 .\" modification, are permitted provided that the following conditions
   5 .\" are met:
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   7 .\"    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
   8 .\" 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
   9 .\"    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  10 .\"    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  11 .\"
  12 .\" THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  13 .\" ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  14 .\" IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  15 .\" ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  16 .\" FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  17 .\" DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  18 .\" OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  19 .\" HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  20 .\" LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  21 .\" OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  22 .\" SUCH DAMAGE.
  23 .\"
  24 .\" $FreeBSD$
  25 .\"
  26 .Dd November 24, 2008
  27 .Dt PMC 3
  28 .Os
  29 .Sh NAME
  30 .Nm pmc
  31 .Nd library for accessing hardware performance monitoring counters
  32 .Sh LIBRARY
  33 .Lb libpmc
  34 .Sh SYNOPSIS
  35 .In pmc.h
  36 .Sh DESCRIPTION
  37 The
  38 .Lb libpmc
  39 provides a programming interface that allows applications to use
  40 hardware performance counters to gather performance data about
  41 specific processes or for the system as a whole.
  42 The library is implemented using the lower-level facilities offered by
  43 the
  44 .Xr hwpmc 4
  45 driver.
  46 .Ss Key Concepts
  47 Performance monitoring counters (PMCs) are represented by the library
  48 using a software abstraction.
  49 These
  50 .Dq abstract
  51 PMCs can have one two scopes:
  52 .Bl -bullet
  53 .It
  54 System scope.
  55 These PMCs measure events in a whole-system manner, i.e., independent
  56 of the currently executing thread.
  57 System scope PMCs are allocated on specific CPUs and do not
  58 migrate between CPUs.
  59 Non-privileged process are allowed to allocate system scope PMCs if the
  60 .Xr hwpmc 4
  61 sysctl tunable:
  62 .Va security.bsd.unprivileged_syspmcs
  63 is non-zero.
  64 .It
  65 Process scope.
  66 These PMCs only measure hardware events when the processes they are
  67 attached to are executing on a CPU.
  68 In an SMP system, process scope PMCs migrate between CPUs along with
  69 their target processes.
  70 .El
  71 .Pp
  72 Orthogonal to PMC scope, PMCs may be allocated in one of two
  73 operational modes:
  74 .Bl -bullet
  75 .It
  76 Counting PMCs measure events according to their scope
  77 (system or process).
  78 The application needs to explicitly read these counters
  79 to retrieve their value.
  80 .It
  81 Sampling PMCs cause the CPU to be periodically interrupted
  82 and information about its state of execution to be collected.
  83 Sampling PMCs are used to profile specific processes and kernel
  84 threads or to profile the system as a whole.
  85 .El
  86 .Pp
  87 The scope and operational mode for a software PMC are specified at
  88 PMC allocation time.
  89 An application is allowed to allocate multiple PMCs subject
  90 to availability of hardware resources.
  91 .Pp
  92 The library uses human-readable strings to name the event being
  93 measured by hardware.
  94 The syntax used for specifying a hardware event along with additional
  95 event specific qualifiers (if any) is described in detail in section
  96 .Sx "EVENT SPECIFIERS"
  97 below.
  98 .Pp
  99 PMCs are associated with the process that allocated them and
 100 will be automatically reclaimed by the system when the process exits.
 101 Additionally, process-scope PMCs have to be attached to one or more
 102 target processes before they can perform measurements.
 103 A process-scope PMC may be attached to those target processes
 104 that its owner process would otherwise be permitted to debug.
 105 An owner process may attach PMCs to itself allowing
 106 it to measure its own behavior.
 107 Additionally, on some machine architectures, such self-attached PMCs
 108 may be read cheaply using specialized instructions supported by the
 109 processor.
 110 .Pp
 111 Certain kinds of PMCs require that a log file be configured before
 112 they may be started.
 113 These include:
 114 .Bl -bullet -compact
 115 .It
 116 System scope sampling PMCs.
 117 .It
 118 Process scope sampling PMCs.
 119 .It
 120 Process scope counting PMCs that have been configured to report PMC
 121 readings on process context switches or process exits.
 122 .El
 123 Upto one log file may be configured per owner process.
 124 Events logged to a log file may be subsequently analyzed using the
 125 .Xr pmclog 3
 126 family of functions.
 127 .Ss Supported CPUs
 128 The CPUs known to the PMC library are named by the
 129 .Vt "enum pmc_cputype"
 130 enumeration.
 131 Supported CPUs include:
 132 .Bl -tag -width "Li PMC_CPU_INTEL_CORE2" -compact
 133 .It Li PMC_CPU_AMD_K7
 134 .Tn "AMD Athlon"
 135 CPUs.
 136 .It Li PMC_CPU_AMD_K8
 137 .Tn "AMD Athlon64"
 138 CPUs.
 139 .It Li PMC_CPU_INTEL_ATOM
 140 .Tn Intel
 141 .Tn Atom
 142 CPUs and other CPUs conforming to version 3 of the
 143 .Tn Intel
 144 performance measurement architecture.
 145 .It Li PMC_CPU_INTEL_CORE
 146 .Tn Intel
 147 .Tn Core Solo
 148 and
 149 .Tn Core Duo
 150 CPUs, and other CPUs conforming to version 1 of the
 151 .Tn Intel
 152 performance measurement architecture.
 153 .It Li PMC_CPU_INTEL_CORE2
 154 .Tn Intel
 155 .Tn "Core2 Solo" ,
 156 .Tn "Core2 Duo"
 157 and
 158 .Tn "Core2 Extreme"
 159 CPUs, and other CPUs conforming to version 2 of the
 160 .Tn Intel
 161 performance measurement architecture.
 162 .It Li PMC_CPU_INTEL_P5
 163 .Tn Intel
 164 .Tn "Pentium"
 165 CPUs.
 166 .It Li PMC_CPU_INTEL_P6
 167 .Tn Intel
 168 .Tn "Pentium Pro"
 169 CPUs.
 170 .It Li PMC_CPU_INTEL_PII
 171 .Tn "Intel Pentium II"
 172 CPUs.
 173 .It Li PMC_CPU_INTEL_PIII
 174 .Tn "Intel Pentium III"
 175 CPUs.
 176 .It Li PMC_CPU_INTEL_PIV
 177 .Tn "Intel Pentium 4"
 178 CPUs.
 179 .It Li PMC_CPU_INTEL_PM
 180 .Tn "Intel Pentium M"
 181 CPUs.
 182 .El
 183 .Ss Supported PMCs
 184 PMC supported by this library are named by the
 185 .Vt enum pmc_class
 186 enumeration.
 187 Supported PMC kinds include:
 188 .Bl -tag -width "Li PMC_CLASS_IAF" -compact
 189 .It Li PMC_CLASS_IAF
 190 Fixed function hardwre counters presents in CPUs conforming to the
 191 .Tn Intel
 192 performance measurement architecture version 2 and later.
 193 .It Li PMC_CLASS_IAP
 194 Programmable hardware counters present in CPUs conforming to the
 195 .Tn Intel
 196 performance measurement architecture version 1 and later.
 197 .It Li PMC_CLASS_K7
 198 Programmable hardware counters present in
 199 .Tn "AMD Athlon"
 200 CPUs.
 201 .It Li PMC_CLASS_K8
 202 Programmable hardware counters present in
 203 .Tn "AMD Athlon64"
 204 CPUs.
 205 .It Li PMC_CLASS_P4
 206 Programmable hardware counters present in
 207 .Tn "Intel Pentium 4"
 208 CPUs.
 209 .It Li PMC_CLASS_P5
 210 Programmable hardware counters present in
 211 .Tn Intel
 212 .Tn Pentium
 213 CPUs.
 214 .It Li PMC_CLASS_P6
 215 Programmable hardware counters present in
 216 .Tn Intel
 217 .Tn "Pentium Pro" ,
 218 .Tn "Pentium II" ,
 219 .Tn "Pentium III" ,
 220 .Tn "Celeron" ,
 221 and
 222 .Tn "Pentium M"
 223 CPUs.
 224 .It Li PMC_CLASS_TSC
 225 The timestamp counter on i386 and amd64 architecture CPUs.
 226 .El
 227 .Ss PMC Capabilities
 228 .Pp
 229 Capabilities of performance monitoring hardware are denoted using
 230 the
 231 .Vt "enum pmc_caps"
 232 enumeration.
 233 Supported capabilities include:
 234 .Bl -tag -width "Li PMC_CAP_INTERRUPT" -compact
 235 .It Li PMC_CAP_CASCADE
 236 The ability to cascade counters.
 237 .It Li PMC_CAP_EDGE
 238 The ability to count negated to asserted transitions of the hardware
 239 conditions being probed for.
 240 .It Li PMC_CAP_INTERRUPT
 241 The ability to interrupt the CPU.
 242 .It Li PMC_CAP_INVERT
 243 The ability to invert the sense of the hardware conditions being
 244 measured.
 245 .It Li PMC_CAP_PRECISE
 246 The ability to perform precise sampling.
 247 .It Li PMC_CAP_QUALIFIER
 248 The hardware allows monitored to be further qualified in some
 249 system dependent way.
 250 .It Li PMC_CAP_READ
 251 The ability to read from performance counters.
 252 .It Li PMC_CAP_SYSTEM
 253 The ability to restrict counting of hardware events to when the CPU is
 254 running privileged code.
 255 .It Li PMC_CAP_THRESHOLD
 256 The ability to ignore simultaneous hardware events below a
 257 programmable threshold.
 258 .It Li PMC_CAP_USER
 259 The ability to restrict counting of hardware events to those when the
 260 CPU is running unprivileged code.
 261 .It Li PMC_CAP_WRITE
 262 The ability to write to performance counters.
 263 .El
 264 .Ss CPU Naming Conventions
 265 CPUs are named using small integers from zero uptil, but
 266 excluding, the value returned by function
 267 .Fn pmc_ncpu .
 268 On platforms supporting sparsely numbered CPUs not all the numbers in
 269 this range will denote valid CPUs.
 270 Operations on non-existent CPUs will return an error.
 271 .Ss Functional Grouping of the API
 272 This section contains a brief overview of the available functionality
 273 in the PMC library.
 274 Each function listed here is described further in its own manual page.
 275 .Bl -tag -width indent
 276 .It Administration
 277 .Bl -tag -compact
 278 .It Fn pmc_disable , Fn pmc_enable
 279 Administratively disable (enable) specific performance monitoring
 280 counter hardware.
 281 Counters that are disabled will not be available to applications to
 282 use.
 283 .El
 284 .It "Convenience Functions"
 285 .Bl -tag -compact
 286 .It Fn pmc_event_names_of_class
 287 Returns a list of event names supported by a given PMC type.
 288 .It Fn pmc_name_of_capability
 289 Convert a
 290 .Dv PMC_CAP_*
 291 flag to a human-readable string.
 292 .It Fn pmc_name_of_class
 293 Convert a
 294 .Dv PMC_CLASS_*
 295 constant to a human-readable string.
 296 .It Fn pmc_name_of_cputype
 297 Return a human-readable name for a CPU type.
 298 .It Fn pmc_name_of_disposition
 299 Return a human-readable string describing a PMC's disposition.
 300 .It Fn pmc_name_of_event
 301 Convert a numeric event code to a human-readable string.
 302 .It Fn pmc_name_of_mode
 303 Convert a
 304 .Dv PMC_MODE_*
 305 constant to a human-readable name.
 306 .It Fn pmc_name_of_state
 307 Return a human-readable string describing a PMC's current state.
 308 .El
 309 .It "Library Initialization"
 310 .Bl -tag -compact
 311 .It Fn pmc_init
 312 Initialize the library.
 313 This function must be called before any other library function.
 314 .El
 315 .It "Log File Handling"
 316 .Bl -tag -compact
 317 .It Fn pmc_configure_logfile
 318 Configure a log file for
 319 .Xr hwpmc 4
 320 to write logged events to.
 321 .It Fn pmc_flush_logfile
 322 Flush all pending log data in
 323 .Xr hwpmc 4 Ns Ap s
 324 buffers.
 325 .It Fn pmc_close_logfile
 326 Flush all pending log data and close
 327 .Xr hwpmc 4 Ns Ap s
 328 side of the stream.
 329 .It Fn pmc_writelog
 330 Append arbitrary user data to the current log file.
 331 .El
 332 .It "PMC Management"
 333 .Bl -tag -compact
 334 .It Fn pmc_allocate , Fn pmc_release
 335 Allocate (free) a PMC.
 336 .It Fn pmc_attach , Fn pmc_detach
 337 Attach (detach) a process scope PMC to a target.
 338 .It Fn pmc_read , Fn pmc_write , Fn pmc_rw
 339 Read (write) a value from (to) a PMC.
 340 .It Fn pmc_start , Fn pmc_stop
 341 Start (stop) a software PMC.
 342 .It Fn pmc_set
 343 Set the reload value for a sampling PMC.
 344 .El
 345 .It "Queries"
 346 .Bl -tag -compact
 347 .It Fn pmc_capabilities
 348 Retrieve the capabilities for a given PMC.
 349 .It Fn pmc_cpuinfo
 350 Retrieve information about the CPUs and PMC hardware present in the
 351 system.
 352 .It Fn pmc_get_driver_stats
 353 Retrieve statistics maintained by
 354 .Xr hwpmc 4 .
 355 .It Fn pmc_ncpu
 356 Determine the greatest possible CPU number on the system.
 357 .It Fn pmc_npmc
 358 Return the number of hardware PMCs present in a given CPU.
 359 .It Fn pmc_pmcinfo
 360 Return information about the state of a given CPU's PMCs.
 361 .It Fn pmc_width
 362 Determine the width of a hardware counter in bits.
 363 .El
 364 .It "x86 Architecture Specific API"
 365 .Bl -tag -compact
 366 .It Fn pmc_get_msr
 367 Returns the processor model specific register number
 368 associated with
 369 .Fa pmc .
 370 Applications may then use the x86
 371 .Ic RDPMC
 372 instruction to directly read the contents of the PMC.
 373 .El
 374 .El
 375 .Ss Signal Handling Requirements
 376 Applications using PMCs are required to handle the following signals:
 377 .Bl -tag -width ".Dv SIGBUS"
 378 .It Dv SIGBUS
 379 When the
 380 .Xr hwpmc 4
 381 module is unloaded using
 382 .Xr kldunload 8 ,
 383 processes that have PMCs allocated to them will be sent a
 384 .Dv SIGBUS
 385 signal.
 386 .It Dv SIGIO
 387 The
 388 .Xr hwpmc 4
 389 driver will send a PMC owning process a
 390 .Dv SIGIO
 391 signal if:
 392 .Bl -bullet
 393 .It
 394 If any process-mode PMC allocated by it loses all its
 395 target processes.
 396 .It
 397 If the driver encounters an error when writing log data to a
 398 configured log file.
 399 This error may be retrieved by a subsequent call to
 400 .Fn pmc_flush_logfile .
 401 .El
 402 .El
 403 .Ss Typical Program Flow
 404 .Bl -enum
 405 .It
 406 An application would first invoke function
 407 .Fn pmc_init
 408 to allow the library to initialize itself.
 409 .It
 410 Signal handling would then be set up.
 411 .It
 412 Next the application would allocate the PMCs it desires using function
 413 .Fn pmc_allocate .
 414 .It
 415 Initial values for PMCs may be set using function
 416 .Fn pmc_set .
 417 .It
 418 If a log file is necessary for the PMCs to work, it would
 419 be configured using function
 420 .Fn pmc_configure_logfile .
 421 .It
 422 Process scope PMCs would then be attached to their target processes
 423 using function
 424 .Fn pmc_attach .
 425 .It
 426 The PMCs would then be started using function
 427 .Fn pmc_start .
 428 .It
 429 Once started, the values of counting PMCs may be read using function
 430 .Fn pmc_start .
 431 For PMCs that write events to the log file, this logged data would be
 432 read and parsed using the
 433 .Xr pmclog 3
 434 family of functions.
 435 .It
 436 PMCs are stopped using function
 437 .Fn pmc_stop ,
 438 and process scope PMCs are detached from their targets using
 439 function
 440 .Fn pmc_detach .
 441 .It
 442 Before the process exits, its may release its PMCs using function
 443 .Fn pmc_release .
 444 Any configured log file may be closed using function
 445 .Fn pmc_configure_logfile .
 446 .El
 447 .Sh EVENT SPECIFIERS
 448 Event specifiers are strings comprising of an event name, followed by
 449 optional parameters modifying the semantics of the hardware event
 450 being probed.
 451 Event names are PMC architecture dependent, but the PMC library defines
 452 machine independent aliases for commonly used events.
 453 .Pp
 454 Event specifiers spellings are case-insensitive and space characters,
 455 periods, underscores and hyphens are considered equivalent to each other.
 456 Thus the event specifiers
 457 .Qq "Example Event" ,
 458 .Qq "example-event" ,
 459 and
 460 .Qq "EXAMPLE_EVENT"
 461 are equivalent.
 462 .Ss PMC Architecture Dependent Events
 463 PMC architecture dependent event specifiers are described in the
 464 following manual pages:
 465 .Bl -column " PMC_CLASS_TSC " "MANUAL PAGE "
 466 .It Em "PMC Class"      Ta Em "Manual Page"
 467 .It Li PMC_CLASS_IAF    Ta Xr pmc.iaf 3
 468 .It Li PMC_CLASS_IAP    Ta Xr pmc.atom 3 , Xr pmc.core 3 , Xr pmc.core2 3
 469 .It Li PMC_CLASS_K7     Ta Xr pmc.k7 3
 470 .It Li PMC_CLASS_K8     Ta Xr pmc.k8 3
 471 .It Li PMC_CLASS_P4     Ta Xr pmc.p4 3
 472 .It Li PMC_CLASS_P5     Ta Xr pmc.p5 3
 473 .It Li PMC_CLASS_P6     Ta Xr pmc.p6 3
 474 .It Li PMC_CLASS_TSC    Ta Xr pmc.tsc 3
 475 .El
 476 .Ss Event Name Aliases
 477 Event name aliases are PMC-independent names for commonly used events.
 478 The following aliases are known to this version of the
 479 .Nm pmc
 480 library:
 481 .Bl -tag -width indent
 482 .It Li branches
 483 Measure the number of branches retired.
 484 .It Li branch-mispredicts
 485 Measure the number of retired branches that were mispredicted.
 486 .It Li cycles
 487 Measure processor cycles.
 488 This event is implemented using the processor's Time Stamp Counter
 489 register.
 490 .It Li dc-misses
 491 Measure the number of data cache misses.
 492 .It Li ic-misses
 493 Measure the number of instruction cache misses.
 494 .It Li instructions
 495 Measure the number of instructions retired.
 496 .It Li interrupts
 497 Measure the number of interrupts seen.
 498 .It Li unhalted-cycles
 499 Measure the number of cycles the processor is not in a halted
 500 or sleep state.
 501 .El
 502 .Sh COMPATIBILITY
 503 The interface between the
 504 .Nm pmc
 505 library and the
 506 .Xr hwpmc 4
 507 driver is intended to be private to the implementation and may
 508 change.
 509 In order to ease forward compatibility with future versions of the
 510 .Xr hwpmc 4
 511 driver, applications are urged to dynamically link with the
 512 .Nm pmc
 513 library.
 514 .Pp
 515 The
 516 .Nm pmc
 517 API is
 518 .Ud
 519 .Sh SEE ALSO
 520 .Xr pmc.atom 3 ,
 521 .Xr pmc.core 3 ,
 522 .Xr pmc.core2 3 ,
 523 .Xr pmc.iaf 3 ,
 524 .Xr pmc.k7 3 ,
 525 .Xr pmc.k8 3 ,
 526 .Xr pmc.p4 3 ,
 527 .Xr pmc.p5 3 ,
 528 .Xr pmc.p6 3 ,
 529 .Xr pmc.tsc 3 ,
 530 .Xr pmclog 3 ,
 531 .Xr hwpmc 4 ,
 532 .Xr pmccontrol 8 ,
 533 .Xr pmcstat 8
 534 .Sh HISTORY
 535 The
 536 .Nm pmc
 537 library first appeared in
 538 .Fx 6.0 .
 539 .Sh AUTHORS
 540 The
 541 .Lb libpmc
 542 library was written by
 543 .An "Joseph Koshy"
 544 .Aq jkoshy@FreeBSD.org .