自治区新闻出版广电局2017年03月行政审批统计

Linux操作系统的核心（kernel）是不断迭代精进的，包含正式改版或若干程度的修补（patch，对岸称为补丁）等，而在正式迭代前会先有人提交，提交后需要再评估确认，有些会舍弃，有些会纳入后续正式的迭代。
最近64位Arm架构的Linux核心程序，有一家自由软件顾问公司Igalia尝试在树莓派上模拟NUMA（Non-Uniform Memory Access，翻译成非统一内存存取，但使用不普遍），如此可以让第五代树莓派（RPi 5）增速6%～18%，这作法已经在Linux核心清单的相关讨论中，由账号Tvrtko Ursulin所提出。

图一 : 第五代树莓派单板计算机（图片来源：Amazon）

NUMA简述
在这里要先说明一下何谓NUMA，这其实是一种计算机硬件架构，1990年代UNIX高阶服务器飞速发展时，系统内CPU数目的增加、RAM容量的增加，但要让多颗CPU跟过往一样，都存取同一块RAM内存空间，这一段存取变成了效能瓶颈，故系统商开始提倡NUMA。
NUMA把内存分切、配发给CPU，CPU平常多数时间只存取自己所属的内存，必要时才与其他内存快进行数据同步或交换，另外NUMA也可能将内存分层，分成CPU专属层、一个群中的共享层、整体系统的共享等等。
虽然有这些空间切分、数据同步机制，但这些都以硬件方式实现，是在背地里无形中运作，软件执行上感受不到差异，运作上仍然以为是一个整体连续的内存空间。Linux核心在2.5版后也支持NUMA。


效能提升6%～18%
虽然Linux核心支持NUMA，但如果系统硬件设计上本身就没有NUMA，Linux核心的NUMA功能一样无法发挥，RPi 5即是如此，主要是RPi 5的主控芯片BMC2712没有。
不过，前述的Igalia公司提出一个核心修补程序，让树莓派系统跑一个NUMA仿真软件（Emulator），以软件方式实现NUMA（可能搭配运用上BMC2712内的GPU），这个修补程序其实才约100行，主要的C语言程序代码也不到60行。


 
图二 : Igalia公司官网强调该公司擅长的多项技术中，Linux核心效能提升也是其一（图片来源：Igalia）

#include
#include "numa_emulation.h"
static unsigned int emu_nodes;
int __init numa_emu_cmdline(char *str)
{
int ret;
ret = kstrtouint(str, 10, &emu_nodes);
if (ret)
return ret;
if (emu_nodes > MAX_NUMNODES) {
pr_notice("numa=fake=%u too large, reducing to %un",
emu_nodes, MAX_NUMNODES);
emu_nodes = MAX_NUMNODES;
}
return 0;
}
int __init numa_emu_init(void)
{
phys_addr_t start, end;
unsigned long size;
unsigned int i;
int ret;
if (!emu_nodes)
return -EINVAL;
start = memblock_start_of_DRAM();
end = memblock_end_of_DRAM() - 1;
size = DIV_ROUND_DOWN_ULL(end - start + 1, emu_nodes);
size = PAGE_ALIGN_DOWN(size);
for (i = 0; i < emu_nodes; i++) {
u64 s, e;
s = start + i * size;
e = s + size - 1;
if (i == (emu_nodes - 1) && e != end)
e = end;
pr_info("Faking a node at [mem %pap-%pap]n", &s, &e);
ret = numa_add_memblk(i, s, e + 1);
if (ret) {
pr_err("Failed to add fake NUMA node %d!n", i);
break;
}
}
return ret;


修补程序相关的C语言程序代码，一起头即放入Linux内存区块的含括档memblock.h及NUMA模拟的含括档numa_emulation.h（数据源:CNX Software）

相关配套修改也包含在操作系统上要使用一个NUMA_EMULATION的新Kconfig选项，核心启动参数要加入numa=fake=，然后搭配命令行numactl –interleave=all COMMAND等，如此可以改变BMC2712内存储器控制器的存取方式，另外也要透过systemd命令来重新配置系统范围政策（system-wide policy）。
既然NUMA是为了让整体系统更具效能的，那就需要测试看看NUMA仿真软件是否真的有效果，对此用效能基准程序Geekbench 6来测试，发现有无安装修补程序确实有效能差异。
测试的结果显示，安装修补程序后的单核效能提升约6%，多核（RPi 5有4个核心）则提升到18%，这样的提升形同把2.4GHz的RPi 5超频到2.83GHz。


仍待观望
虽然测试结果不错，但目前还有两个问题，一是真的在一般运用上能得到加速感受吗？有时基准检验的跑分不错，实际上没有帮助，类似纸上成绩不错，实际表现不佳，因此信息业界有时也会强调所谓的real application performance，而不是看benchmark。
另一个问题是：这个修补程序提交出去了，但是否能正式列入成Linux核心修补还需要一段时间，且估计时间冗长。目前提交上的相关讨论似乎有不乐意的声音出现，认为这有点变通取巧不正规，不应该正式列入，一旦正式列入就需要后续一连串的相关维护等。


结语
最后笔者觉得，无论提交能否纳入正式核心修补，这一尝试肯定是正向的，过往的树莓派其实在I/O方面已经出现瓶颈（芯片内的Interconnect带宽不足），硬件规格数字虽已与过往PC相仿，效能却仍有落差，估计这是新一代树莓派要额外提出RP1附属搭配芯片的原因。

既然有人提出NUMA仿真软件，这表示开始有人尝试提升树莓派的内存存取效率，会引起各方关注此一环节的效能提升，是真的起用仿真软件来零成本提升效能，还是考虑在下一代的树莓派主控芯片上改善此一环节的硬件设计，对用户而言都是好消息。