“cpuid”在“rdtsc”之前

Question

有时我会遇到使用 rdtsc 指令读取 TSC 的代码，但之前调用 cpuid 。

为什么需要调用cpuid？我意识到这可能与具有 TSC 值的不同内核有关，但是当您按顺序调用这两个指令时，到底会发生什么？

Answer 1

这是为了防止乱序执行。这段文字来自现已从网络上消失的链接（但在消失之前被偶然复制到此处），这段文字来自约翰·埃克达尔 (John Eckerdal) 撰写的一篇题为“性能监控”的文章：

Pentium Pro 和 Pentium II 处理器支持乱序执行指令，可以按照您编程时的其他顺序执行。如果不加以注意，这可能会成为错误的根源。

为了防止这种情况，程序员必须序列化指令队列。这可以通过在 RDTSC 指令之前插入一条序列化指令（如 CPUID 指令）来完成。

Answer 2

原因有两个：

• 正如 paxdiablo 所说，当 CPU 看到 CPUID 操作码时，它会确保执行所有先前的指令，然后在执行任何后续指令之前获取 CPUID。如果没有这样的指令，CPU 执行管道可能会在您想要计时的指令之前执行 TSC。
• 很大一部分机器无法跨内核同步 TSC 寄存器。如果您想从马口中阅读它 - 请访问 http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ee417693%28VS.85%29.aspx。因此，在测量 TSC 读数之间的间隔时，除非它们是在同一核心上获取的，否则您将引入一个有效随机但可能恒定（见下文）的间隔 - 即使在启动后不久，它也可能很容易达到几秒（是的几秒） 。这有效地反映了 BIOS 在启动其他核心之前在单个核心上运行的时间，此外，如果您打开了任何令人讨厌的节能选项，则会增加因以不同频率运行的核心或再次关闭而导致的漂移。因此，如果您尚未将读取 TSC 寄存器的线程固定到同一核心，那么您需要构建某种跨核心增量表并按顺序了解每个 TSC 样本的核心 ID（由 CPUID 返回）来补偿这个偏移量。这是您可以在 RDTSC 旁边看到 CPUID 的另一个原因，实际上也是为什么使用较新的 RDTSCP 许多操作系统将核心 ID 号存储到返回的额外 TSC_AUX[31:0] 数据中的原因。 （Core i7 和 Athlon 64 X2 提供，RDTSCP 在各个方面都是一个更好的选择 - 操作系统通常会为您提供如上所述的核心 ID，对于 TSC 读取来说是原子的，并且防止指令重新排序）。

Answer 3

CPUID 正在序列化，防止 RDTSC 乱序执行。

现在您可以安全地使用 LFENCE 来代替。它被记录为在 Intel CPU 上的指令流上进行序列化（但不存储到内存），现在在 Spectre 的微代码更新后也在 AMD 上进行序列化。

https://hadibrais.wordpress .com/2018/05/14/the-significance-of-the-x86-lfence-instruction/ 解释了有关 LFENCE 的更多信息。

另请参阅https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/white-papers/ia-32-ia-64-benchmark-code- execution-paper.pdf 了解使用 RDTSCP 将 CPUID（或 LFENCE）排除在定时区域之外的方法：

LFENCE     ; (or CPUID) Don't start the timed region until everything above has executed
RDTSC           ; EDX:EAX = timestamp
mov  ebx, eax   ; low 32 bits of start time

   code under test

RDTSCP     ; built-in one way barrier stops it from running early
LFENCE     ; (or CPUID) still use a barrier after to prevent anything weird
sub  eax, ebx   ; low 32 bits of end-start

另请参阅获取 CPU 周期计数？ 了解有关 RDTSC 警告的更多信息，例如constant_tsc 和 nonstop_tsc。

作为奖励，RDTSCP 会为您提供一个核心 ID。如果您想检查核心迁移，您也可以使用 RDTSCP 作为开始时间。但如果您的 CPU 具有 constant_tsc 功能，则软件包中的所有内核都应同步其 TSC，因此在现代 x86 上通常不需要此功能。

正如 @Tony 的回答指出的那样，您可以从 CPUID 获取核心 ID。