(Само)идентификация процессоров. Часть вторая. Волосатый CPUID
В первой части я рассказал о необходимости идентификации расширений, присутствующих на конкретном процессоре. Это нужно для того, чтобы исполняющийся код (операционная система, компилятор или пользовательское приложение) смог надёжно определить, какие возможности аппаратуры он может задействовать. Также в предыдущей статье я сравнил несколько популярных архитектур центральных процессоров общего назначения. Возможности по идентификации между ними сильно разнятся: некоторые предоставляют полную информацию о расширениях ISA, тогда как другие ограничиваются парой чисел для различения вендора и ревизии.В этой части я расскажу об одной инструкции архитектуры Intel IA-32 — CPUID, введённой специально для перечисления декларируемых процессором расширений. Немного о том, что было до её появления, что она умеет сообщать, какие неожиданности могут поджидать и какой софт позволяет интерпретировать её вывод.
Источник изображения: [1]
История Как я уже утверждал в первой части, присутствует следующая тенденция: чем более «встраиваемая» природа у процессора, тем меньше возможностей для идентификации заложено в его архитектуру. Создатели встраиваемых систем почему-то не волнуются о переносимости двоичного кода.Не являлся исключением и Intel 8086 — микропроцессор 1970-х годов, выросший из «калькуляторной» серии 8008, 8080, 8085. Изначально в него не было заложено никаких средств идентификации.Начиная с 808386 сведения о модели, степпинге и семействе стали сообщаться в регистре EDX сразу после перезагрузки (получения сигнала RESET). Инструкция CPUID, кодируемая байтами 0×0f 0xa2, была введена в процессорах 80486. Наличие CPUID можно было распознать по возможности записи в бит 21 регистра флагов. Для поддержки работы на более старых ЦПУ приходилось идти на очень изощрённые методы для того, чтобы различать процессоры серий от 8086 до 80386.
CPUID algorithm wars (1996) В статье [2] от 1996 года Роберт Коллинс предложил алгоритм для различения всех существовавших на тот момент продуктов IA-32 от Intel. Его не устраивал официальный метод идентификации от Intel, основанный только на различии в поведении инструкции PUSH SP (об этом чуть ниже), так как он не был универсальным. В своих работах Роберт предлагал задействовать следующие дополнительные трюки.Исполнять инструкции, не присутствующие на всех процессорах, перехватывая исключение #UD. Зная, какие инструкции не сгенерировали исключение, можно определить семейство процессора. Однако, для 8086/8088 такой подход не сработал бы, так как в них не было определено поведение для неподдерживаемых команд. Инструкция PUSH SP работает по-разному на 8086 и 80286. На первом ЦПУ на стек попадает значение регистра SP до изменения его значения. На 80286 эта ошибка была исправлена: «The iAPX 286 will push a different value on the stack for PUSH SP than the iAPX 86/88.» 80186 также кладёт неправильное значение SP на стек, но при этом поддерживает CPUID. Запись слова (16 бит) в сегмент по смещению 0xffff (т.е. начиная с последнего адресуемого байта) на 8086 процессоре приведёт к тому, что второй байт этого слова попадёт в память по смещению 0, тогда как на 80186 этот байт пойдёт за границу сегмента по смещению 0×10000. Некоторые клоны Intel Pentium поддерживали CPUID, но не сообщали об этом в помощью бита 21 регистра флагов, противореча документации, или же позволяли динамически включать поддержку этой инструкции после загрузки. Различение моделей процессоров с одной и той же «цифрой» (например, между 80386 DX и 808386 SX, CX, EX, SL или Intel Pentium P5, P54C, OverDrive) также требовало аккуратного учёта различий в поддерживаемых расширениях. 80386 DX и SX можно различить по разнице в количестве модифицируемых бит регистра CR0. Некоторая информация об идентификации могла быть получена с помощью документированной серии операций на портах ввода-вывода (инструкции IN/OUT). Различия между моделями 80486 могли быть получены с помощью проверки наличия математического сопроцессора 80487. Для получения информации о степпинге на 80386 необходимо прочитать значение EDX сразу после RESET’а. Но в этот момент начинает работать BIOS, который наверняка перезапишет этот регистр задолго до того, как управление будет передано пользовательскому коду! Однако и тут Роберт придумывает и описывает хитрую схему с манипуляцией печально известной линией A20 для того, чтобы обмануть процесс перезагрузки и получить управление.Перечисленные в оригинальной статье техники были опробованы преимущественно на ЦПУ от Intel. В статье автор признаёт, что они не позволяют надёжно классифицировать клоны x86 других производителей.
Интерфейс Для системного программиста работа по идентификации некоторого расширения обычно заключается в установке входных значений в регистрах EAX (лист, англ. leaf) и ECX (подлист, англ. subleaf), исполнению CPUID и прочтению результата в четырёх регистрах: EAX, EBX, ECX, EDX. Отдельные битовые поля выходных регистров будут содержать информацию о значениях связанных с ними архитектурных параметров конкретного ядра процессора.Все валидные сочетания входных листов-подлистов и четвёрок регистров на выходе формируют таблицу CPUID. Для современных процессоров она содержит около двух десятков строк по четыре 32-битных столбца.Я не буду расписывать детально все официально описанные поля этой таблицы. Интересующиеся всегда могут найти их в Intel SDM [1] (рекомендую запастись терпением — около 40 страниц текста только про CPUID). Болеее того, для уже заявленных, но ещё не выпущенных в физических продуктах расширений ISA соответствующие им новые поля CPUID могут быть найдены в [3]. Вместо этого я классифицирую информацию, которую можно извлечь из вывода этой инструкции. Для обозначения битовых полей таблицы я буду использовать принятую для этого нотацию: CPUID.leaf.subleaf.reg[bitstart: bitend]. Например, CPUID.0.EBX[31:0] — это биты с 0 по 31 выходного регистра EBX после исполнения CPUID, которая на вход получила лист 0 (EAX = 0); подлист (входное значение ECX) игнорируется, поэтому он не указан.
Регионы листов
Неподдерживаемые значения входных EAX и ECX не приводят к возникновению исключений, а вместо этого возвращают нули во всех четырёх регистрах, либо «мусор» (значения другого листа согласно спецификации). Допустимые же сочетания листов и подлистов образуют три непрерывных региона.
Обычный регион — все листы с номерами, начиная с нулевого и до максимального значения, равного CPUID.0.EAX[31:0]. Номер максимального листа постоянно растёт и уже давно перевалил за десятку. Расширенный регион — все листы, начиная с 0×80000000 и до максимального значения, равного CPUID.0×80000000.EAX[31:0]. Довольно долгое время это максимальное значение остаётся равным 0×80000008. Я не нашёл документальных доказательств, но у меня есть чувство, что само появление диапазона расширенных листов связанно с введением компанией AMD 64-битного расширения архитектуры IA-32. Диапазон листов 0×40000000–0×4fffffff считается зарезервированным; обещается, что возвращаемые для него CPUID значения всегда будут равны нулю. Однако это не мешает в некоторым использовать его для своих нужд. Например, виртуальные машины KVM возвращают в листе 0×40000000 четвёрку чисел [0, 0×4b4d564b, 0×564b4d56, 0×4d].Скрытый текст Это ASCII-строка «KVMKVMKVM»
ISA Наиболее важные для практиков данные, закодированные в CPUID — это флаги поддерживаемых наборов инструкций. Традиционно для этого отводились биты в составе CPUID.1.ECX и CPUID.1.EDX. Несколько примеров ниже.CPUID.1.ECX[0] — SSE3 — векторные инструкции. CPUID.1.ECX[9] — SSSE3 — другие векторные инструкции. CPUID.1.ECX[7] — EIST — Enhanced Intel SpeedStep®, динамическое изменение частоты процессора. CPUID.1.EDX[25] — SSE — ещё векторные инструкции. CPUID.1.EDX[26] — SSE2 — снова векторные инструкции. Однако в настоящее время расширения ISA могут быть обозначены битами в других листах, так как ёмкость листа 1 исчерпана.CPUID.6.EAX[1] — Intel Turbo Boost, оверклокинг «из коробки». CPUID.7.0.EBX[4] — Hardware Lock Elision, CPUID.7.0.EBX[11] — Restricted Transactional Memory — два расширения от Intel для поддержки транзакционной памяти. CPUID.0×80000001.ECX[5] — LZCNT, инструкция для подсчёта числа старших нулевых бит, похожая (даже слишком) на BSR. Brand String Конечно же, ни один вендор не упустит возможности увековечить своё имя в идентификационных данных своего продукта. Причём желательно сделать это не просто в виде числа, а впечатать ASCII-строку (хорошо хоть, что не Unicode).В IA-32 CPUID текст можно найти минимум в двух группах листов. CPUID.0.EBX, ECX, EDX содержат 12 байт ASCII-строки, специфичной для каждого вендора. Для Intel это, конечно же, «GenuineIntel». А три листа CPUID.0×80000002–0×80000004 предоставляют аж 48 байт для кодирования в ASCII так называемой Brand String. Именно её видно при распечатке cat /proc/cpuinfo в Linux. И, хотя формат её более-менее стандартизован: «вендор марка серия CPU @ частота», я настоятельно не рекомендую по её содержимому принимать решения в программном коде. Слишком значительно её содержимое может варьироваться: частота может быть указана в МГц или в ГГц (а в реальности быть совсем иной из-за динамической подстройки), пробелы могут менять положение, а симулятор или виртуальная машина могут подставить туда вообще что угодно. Вся информация из brand string может быть найдена программно более надёжными способами.Кэши Информация о кэшах, такая как их тип, количество, ёмкость, геометрия, разделяемость между ядрами полезна для тюнинга высокопроизводительного математического софта, например, библиотек BLAS (basic linear algebra system).Изначально конфигурацию кэшей описывал лист 2. Спроектировали его не очень дальновидно. Формат кодирования информации в нём был выбран не самый гибкий, он не смог в будущем поддержать постоянные изменения в объёме и конфигурации нескольких уровней кэшей. В настоящее время использование информации из листа 2 не рекомендуется, там могут стоять 0xFF-ки.Судя по тому, что лист 0×80000006 входит в расширенный диапазон (хотя я не уверен, документальных доказательств пока что не нашёл), он был добавлен не Intel. С помощью него была сделана попытка информацию листа 2 дополнить данными о строении кэшей, которые потребовались разработчикам софта. При этом опять же не было намерения предоставить пространство для роста.Лист 4 — последнее и пока что наиболее гибкое представление данных о кэшах. Цена этому — добавление концепции подлистов, кодируемых в ECX. Каждый подлист описывает один кэш: данных, кода или совмещённый, определяет его уровень, ёмкость и т.д. Хватит ли четвёртого листа надолго — поживём, увидим.Топология Под «топологией» здесь подразумевается, конечно, не раздел математики, а информация о взаимном расположении отдельных ядер и гипер-потоков (если поддерживается Intel HyperThreading) в составе текущего процессора. Для современных серверных процессоров Intel выделяются следующие уровни иерархии.SMT — уровень гипер-потока, сущности, содержащей индивидуальное архитектурное состояние (регистры), но потенциально разделяющей исполнительные устройства с другими потоками (в составе одного ядра). Ядро (core) — сущность, содержащая индивидуальный набор вычислительных устройств (сумматоров, умножителей и т.д.). Одно ядро может иметь в себе один, два (у ЦПУ с HyperThreading) или четыре (у Xeon Phi) гипер-потока. Пакет (пэкадж, package) — собственно железка целиком, покупаемая в магазине и вставляемая в разъём (сокет) на матплате. Имеет на себе как минимум одно ядро. В многопроцессорных серверных системах может быть несколько пэкаджей. Понятие «логический процессор» соответствует самому нижнему из присутствующих в системе уровней. Именно их видит операционная система. От того, являются ли два логических процессора родственниками (т.е. входят в состав одного ядра или пакета), зависит стоимость миграции процессов между ними, задержки при передаче данных, эффекты кэшей, конфигурация NUMA-памяти и т.п. Именно поэтому данные о топологии содержатся в CPUID листе 0xB и его подлистах.Кроме того, для задач адресации для доставки прерываний от периферийных устройств и других процессоров, каждый логический процессор имеет т.н. APIC ID — уникальное в составе системы число. Топология влияет на то, по какому закону выдаются эти числа множеству активных ядер. Они не всегда последовательны; например, в системе с выключенным HyperThreading все APIC ID будут чётными.Классический APIC ID хранится в поле CPUID.1.EBX[31:24]. Это всего 8 бит, что ограничивает число логических процессоров 256, что, конечно, недостаточно в современных реалиях. Поэтому существует его расширение — X2APIC ID, хранимое в CPUID.0xB.ED[31:0]. Думаю, что этих 32 бит хватит на более длительный период.«Координаты» каждого логического процессора в топологии его пэкажда уникальны. По этой причине неплохо бы озаботиться обеспечением affinity для потока, читающего несколько листов CPUID подряд, иначе он рискует получить значения с разных ядер.Изменяемые поля Если проблем с топологией кажется мало, то спешу сообщить, что само содержимое таблицы CPUID может меняться динамически во время работы системы. Не все поля, конечно, можно изменить; и всё же из настроек BIOS можно напрямую влиять на то, увидит ли ОС некоторые возможности используемого ЦПУ. Приведу лишь некоторые из них.Бит 18 регистра CR4 влияет на CPUID.1: ECX.OSXSAVE[27], обозначающий поддержку инструкции XSAVE. Поля регистра IA32_MISC_ENABLE влияют сразу на несколько полей CPUID: бит 3 — на поля TM1 и TM2, бит 16 — на поле EIST, бит 34 — на поле XD (execution disable) и т.д. Включение бита 22 регистра IA32_MISC_ENABLE вообще «отрезает» все листы таблиц CPUID старше третьего (видимо, это было сделано для совместимости с Windows NT4, не зря этот бит так и называется — NT4). Разное В этой секции я собрал прочие интересные моменты, связанные с историей и работой команды CPUID.Processor Serial Number Во времена Pentium III каждый процессор получил уникальный серийный номер, содержавшийся в CPUID.3.ECX и CPUID.3.EDX [7]. Легко представить, насколько такая фича была бы удобна для нужд защиты ПО от копирования. Однако в 1999 году Европейское сообщество запротестовало, разумно опасаясь, что подобная функциональность повредит приватности пользователей таких систем. Уже в Intel Pentium IV серийный номер был убран, сейчас лист 3 возвращает нули.Вендоры и CPUID Очень интересная таблица [5] повествует о том, что хранят (или в прошлом хранили) в разных листах CPUID разные вендоры. Например, описывается некий mystery level 0×8fffffff, в котором процессоры AMD K8 возвращали строку IT’S HAMMER TIME.Agner Fog о войнах ISA История появления расширений набора инструкций IA-32 в условиях конкурентной борьбы нескольких компаний [4]. Добавление новых инструкций всегда влияло на CPUID, и не всегда все могли договориться о том, как это сделать правильно.Они испортили CPUID! IA32_BIOS_SIGN_ID Инструкция CPUID всегда нравилась мне лаконичностью своего интерфейса и отсутствием неожиданностей в работе: один регистр на входе и четыре на выходе. В её работе нет генерации исключений, нет обращений к памяти, нет чтения/модификации регистра флагов, на неё не влияют префиксы, она работает во всех режимах процессора. По сравнению с зоопарком CISC-команд IA-32 это был почти идеал.… пока не оказалось, что иногда на вход необходимо подать два регистра для кодирования листа и подлиста. Окей, не так всё хорошо. Ну хотя бы выходные регистры заранее известны и всегда изменяются…И тут оказалось, что иногда CPUID изменяет ещё один регистр —, а именно IA32_BIOS_SIGN_ID, — и сохраняет в нём сигнатуру текущей программы микрокода процессора. Происходит это, если до этого было произведено обновление прошивки процессора. По каким-то причинам информация об этой процедуре была раскидана по мануалу [1] на тысячу страниц, и потому она ускользала от меня очень долго.Софт для чтения CPUID В отличие от ряда других архитектур, в IA-32 инструкция CPUID непривилегированная, т.е. может быть исполнена пользовательским ПО, а не только ядром ОС. Поэтому обыкновенные программы могут свободно исследовать, какие возможности имеет ЦПУ, на котором они запускаются. Конечно же, было написано множество инструментов для представления запутанной двоичной информации CPUID в удобном для человека виде. Перечислю здесь некоторые.CPU-Z www.cpuid.com/softwares/cpu-z.html. Очень популярное приложение для идентификации для Windows. На мой вкус, слишком лаконичное. The CPUID Explorer. www.flounder.com/cpuid_explorer2.htm. Более подробное и потому удобное приложение для Windows. К сожалению, не обновлялось уже давно, поэтому не знает про современные поля CPUID. Это, кстати, общая проблема всех программ такого типа — они устаревают очень быстро. Intel® Processor Identification Utility для Windows: www.intel.com/support/processors/tools/piu/sb/CS-014921.htm. Официальное приложение от Intel, однако, умеет не очень много. msr-tools от Intel Open-source Technology Center: 01.org/msr-tools. Программы для получения значений CPUID и регистров MSR. По непонятным мне причинам чтение CPUID требует прав root; кроме того, вместо прямого вызова инструкции используются не самые надёжные интерфейсы ядра Linux. Ещё один cpuid для Linux: www.etallen.com/cpuid.html. Лучший образец, который я смог найти. Печатает подробную информацию обо всех флагах на всех логических процессорах. Я начал писать свой собственный велосипед: ggg-cpuid [6]. В отличие от прочих приложений, цель моего проекта — иметь возможность собирать идентификационную информацию на процессорах разных архитектур, не только IA-32. Сейчас работает на IA-32, IA-64 и ARM. По мере сил и при наличии времени буду добавлять разные системы. Литература Intel Corporation. Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer«s Manual. Volumes 1–3, 2014. www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-software-developer-manuals.html Robert R. Collins. CPUID algorithm wars. Dr. Dobbs Journal, November 1996. www.drdobbs.com/database/cpuid-algorithm-wars/184410005 Intel® Architecture Instruction Set Extensions Programming Reference. software.intel.com/en-us/intel-isa-extensions Agner Fog. Stop the instruction set war. Agner`s CPU blog. www.agner.org/optimize/blog/read.php? i=25 x86 architecture CPUID. sandpile.org/x86/cpuid.htm Grigory Rechistov. A set of CPU identification tools for Intel IA-32, IA-64 and other systems. github.com/grigory-rechistov/ggg-cpuid Intel Processor Identification and the CPUID Instruction. AP-485 Application Note, 1999. netwinder.osuosl.org/pub/misc/docs/i386/24161812.pdf
