JP4832125B2 - 性能解析装置、性能解析方法、性能解析プログラム、および記録媒体 - Google Patents

Description

この発明は、プロセッサに実行させる解析対象プログラムの性能を解析する性能解析装置、性能解析方法、性能解析プログラム、および記録媒体に関する。

現在のプロセッサの多くは、プロセッサ内部のイベントおよび外部とのやり取りのイベントをカウントすることにより性能をモニタリングするハードウェアカウンタを有している。

たとえば、インテル社のペンティアム（登録商標）プロセッサでは複数のカウンタを持ち、クロック数、実行命令数、あるいはキャッシュミス数など多数のイベントの中から選択してカウントできるように構成されている。インターナショナル・ビジネス・マシン社のパワーＰＣプロセッサでも、同様に構成されており、多数のカウンタの中から選択してイベントをカウントすることができる。

そのためプログラムでの実行サイクル数などのプログラム走行情報や、キャッシュミスサイクル数などのボトルネック情報を知ることができる。このように、ソフトウェアプログラムの改善や性能向上のための情報を提供する仕組みがハードウェアとしてプロセッサに組み込まれている。

たとえば、プロセッサ内部のハードウェアカウンタを利用した技術が開示されている（たとえば、下記特許文献１を参照。）。また、ソフトウェアやシステムのボトルネックを検出するため、ソフトウェアのイベントを発生させ、トレースして表示する技術も開示されている（たとえば、下記特許文献２〜４を参照。）。なお、特許文献２〜４では、ハードウェアイベントではなく、ソフトウェアのイベント（タスク名、関数名など）を扱っている。

特開２００４−３１８５３８号公報 特開平９−３４８５０号公報 特開平６−８３６０８号公報 特開平５−３５５４９号公報

一般に、ハードウェアカウンタは、プロセッサに専用回路として組み込まれており、専用回路はプロセッサ面積節約のためハードウェアイベント信号を累積的にカウントするだけの簡単なつくりとなっている。そのため、ハードウェアカウンタから取得された情報（パイプラインストール、メモリトラフィック、バス負荷情報などのアーキテクチア情報）は特定区間の累積情報として出力されている。したがって、特定区間全体の情報は取得できるが微小間隔での情報は取得することができないという問題があった。

この取得された情報は、取得情報は“点”として絞ることができず、“面”としての区間情報となる。したがって、ハードウェアカウンタから取得された情報をもとにしたチューニングやシステム設計へのフィードバックは具体性に欠け、曖昧かつ抽象的になりがちであり、チューニングポイントの探索が困難であるという問題があった。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、解析対象プログラムのチューニングポイントをプロセッサの既存のハードウェア構成を用いるだけで簡単かつわかりやすく提示することができる性能解析装置、性能解析方法、性能解析プログラム、および記録媒体を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる性能解析装置、性能解析方法、性能解析プログラム、および記録媒体は、解析対象プログラムを実行させるプロセッサ内のハードウェアカウンタにより発生回数が計数されるイベントを設定し、前記解析対象プログラムの実行中において、前記プロセッサから所定時間間隔で発生する割り込み信号の発生時における命令アドレスを検出し、イベントの発生回数を示す前記ハードウェアカウンタの計数値の変化量の総計を命令アドレスごとに算出し、表示画面を制御して、算出された前記命令アドレスごとの変化量の総計を表示することを特徴とする。

この発明によれば、命令アドレスごとのイベント発生頻度を視認することができる。

また、上記発明において、前記変化量の総計が算出された命令アドレスの中から、前記イベントに対応する命令アドレスを特定し、特定された命令アドレスを、当該命令アドレスの前記変化量の総計に関連付けて表示することとしてもよい。

この発明によれば、命令アドレスの中からイベントが発生した命令アドレスを視認することができ、チューニングポイントとして特定することができる。

また、上記発明において、前記命令アドレスごとの変化量の総計を、前記命令アドレスの命令を含む実行単位に基づいて表示することとしてもよい。

この発明によれば、イベントが発生した実行単位を視認することができ、チューニングポイントとして特定することができる。

本発明にかかる性能解析装置、性能解析方法、性能解析プログラム、および記録媒体によれば、解析対象プログラムのチューニングポイントをプロセッサの既存のハードウェア構成を用いるだけで簡単かつわかりやすく提示することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる性能解析装置、性能解析方法、性能解析プログラム、および記録媒体の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（性能解析装置のハードウェア構成）
まず、この発明の実施の形態にかかる性能解析装置のハードウェア構成について説明する。図１は、この発明の実施の形態にかかる性能解析装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

図１において、性能解析装置は、ＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ１０２と、ＲＡＭ１０３と、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）１０４と、ＨＤ（ハードディスク）１０５と、ＦＤＤ（フレキシブルディスクドライブ）１０６と、着脱可能な記録媒体の一例としてのＦＤ（フレキシブルディスク）１０７と、ディスプレイ１０８と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）１０９と、キーボード１１０と、マウス１１１と、スキャナ１１２と、プリンタ１１３と、を備えている。また、各構成部はバス１００によってそれぞれ接続されている。

ここで、ＣＰＵ１０１は、性能解析装置の全体の制御を司る。ＲＯＭ１０２は、ブートプログラムなどのプログラムを記憶している。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１のワークエリアとして使用される。ＨＤＤ１０４は、ＣＰＵ１０１の制御にしたがってＨＤ１０５に対するデータのリード／ライトを制御する。ＨＤ１０５は、ＨＤＤ１０４の制御で書き込まれたデータを記憶する。

ＦＤＤ１０６は、ＣＰＵ１０１の制御にしたがってＦＤ１０７に対するデータのリード／ライトを制御する。ＦＤ１０７は、ＦＤＤ１０６の制御で書き込まれたデータを記憶したり、ＦＤ１０７に記憶されたデータを性能解析装置に読み取らせたりする。

また、着脱可能な記録媒体として、ＦＤ１０７のほか、ＣＤ−ＲＯＭ（ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ）、ＭＯ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、メモリーカードなどであってもよい。ディスプレイ１０８は、カーソル、アイコンあるいはツールボックスをはじめ、文書、画像、機能情報などのデータを表示する。このディスプレイ１０８は、たとえば、ＣＲＴ、ＴＦＴ液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどを採用することができる。

Ｉ／Ｆ１０９は、通信回線を通じてインターネットなどのネットワーク１１４に接続され、このネットワーク１１４を介して他の装置に接続される。そして、Ｉ／Ｆ１０９は、ネットワーク１１４と内部のインターフェースを司り、外部装置からのデータの入出力を制御する。Ｉ／Ｆ１０９には、たとえばモデムやＬＡＮアダプタなどを採用することができる。

キーボード１１０は、文字、数字、各種指示などの入力のためのキーを備え、データの入力をおこなう。また、タッチパネル式の入力パッドやテンキーなどであってもよい。マウス１１１は、カーソルの移動や範囲選択、あるいはウィンドウの移動やサイズの変更などをおこなう。ポインティングデバイスとして同様に機能を備えるものであれば、トラックボールやジョイスティックなどであってもよい。

スキャナ１１２は、画像を光学的に読み取り、性能解析装置内に画像データを取り込む。なお、スキャナ１１２は、ＯＣＲ機能を持たせてもよい。また、プリンタ１１３は、画像データや文書データを印刷する。プリンタ１１３には、たとえば、レーザプリンタやインクジェットプリンタを採用することができる。

また、図２は、図１に示したハードウェア構成を部分的に拡大したブロック図である。図２において、符号２０１は測定用プロセッサであり、符号２０２はメモリであり、符号２０３は性能解析用プロセッサである。測定用プロセッサ２０１、メモリ２０２、および解析用プロセッサ２０３は、バス１００に接続されている。測定用プロセッサ２０１および解析用プロセッサ２０３は、図１に示したＣＰＵ１０１に相当する。また、メモリ２０２は、図１に示したＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、ＨＤ１０５などの記録媒体に相当する。

測定用プロセッサ２０１は、各種命令を処理するプロセッサコア２１１、データを保持するキャッシュ２１２、プロセッサ内部のイベントおよび外部とのやり取りのイベントをカウントすることにより性能をモニタリングするハードウェアカウンタ２１３、一定間隔で割り込み信号を出力するタイマ２１４と、を有する。

ハードウェアカウンタ２１３は、解析対象プログラム２２１の実行が開始されると同時に計数を開始する。タイマ２１４も同様、解析対象プログラム２２１の実行が開始されてから、所定時間間隔で割り込み信号を出力する。割り込み信号の所定時間間隔は、性能解析プログラム２２２で設定可能である。

また、メモリ２０２は、解析対象プログラム２２１、性能解析プログラム２２２、および検出命令アドレス／変化量総計対応テーブル２２３を保持する。解析対象プログラム２２１は、性能をモニタリングされるソフトウェアである。性能解析プログラム２２２は、解析対象プログラム２２１の性能を解析するソフトウェアである。

検出命令アドレス／変化量総計対応テーブル２２３は、解析対象プログラム２２１の性能解析中に作成されるテーブル２２３である。また、性能解析用プロセッサ２０３は、性能解析プログラム２２２を実行するプロセッサである。なお、性能解析用プロセッサ２０３は、測定用プロセッサ２０１と兼用することとしてもよい。

（性能解析装置の機能的構成）
つぎに、この発明の実施の形態にかかる性能解析装置の機能的構成について説明する。図３は、この発明の実施の形態にかかる性能解析装置の機能的構成を示すブロック図である。図３において、性能解析装置３００は、設定部３０１と、検出部３０２と、算出部３０３と、特定部３０４と、表示部３０５と、表示制御部３０６と、から構成されている。

設定部３０１は、解析対象プログラム２２１を実行させる測定用プロセッサ２０１内のハードウェアカウンタ２１３により発生回数が計数されるイベントを設定する。ここで、イベントとは、解析対象プログラム２２１を実行させた場合に測定用プロセッサ２０１が実行する命令、キャッシュミス、ＴＬＢミス、実行命令並列度、分岐命令、レジスタ干渉サイクル数、パイプラインストール、メモリトラフィック、バス負荷情報など、測定用プロセッサ２０１により発生するイベントである。

この設定部３０１によりイベントが設定されると、ハードウェアカウンタ２１３は、当該イベントの発生回数を計数する。たとえば、キャッシュミスをイベントとして設定すると、ハードウェアカウンタ２１３はキャッシュミスの発生回数を計数し、キャッシュミス以外のイベントは計数しない。

また、検出部３０２は、解析対象プログラム２２１の実行中において、測定用プロセッサ２０１から所定時間間隔で発生する割り込み信号の発生時における命令アドレスを検出する。ここで、命令アドレスとは、解析対象プログラム２２１を実行する場合、測定用プロセッサ２０１が実行するアセンブリ命令のプログラム位置である。検出部３０２は、具体的には、測定用プロセッサ２０１内のタイマ２１４から出力される割り込み信号により、解析対象プログラム２２１の実行が停止したときの命令アドレスを検出する。以降、この検出部３０２によって検出された命令アドレスを、「検出命令アドレス」と称す。

また、算出部３０３は、設定部３０１によって設定されたイベントの発生回数を示すハードウェアカウンタ２１３の計数値の変化量の総計を、検出命令アドレスごとに算出する。具体的には、検出命令アドレスごとに、当該検出時（すなわち、割り込み信号発生時）におけるハードウェアカウンタ２１３の計数値を読み出す。そして、今回割り込み発生時の計数値から前回割り込み発生時の計数値を減算することで、計数値の変化量を算出する。これにより、前回割り込み発生時から今回割り込み発生時までのイベントの変化量を得ることができる。

この変化量をΔＰとすると、検出命令アドレスごとに変化量ΔＰを累積する。これにより、検出命令アドレスごとに変化量ΔＰの総計を得ることができる。図４は、検出命令アドレス／変化量総計対応テーブル２２３の一例を示す説明図である。

図４では、便宜上、検出命令アドレスのアセンブリ命令を対応付けているが、算出部３０３では、アセンブリ命令を認識しておらず、検出命令アドレスと変化量総計とを対応付けているだけである。

また、特定部３０４は、算出部３０３によって変化量の総計が算出された命令アドレスの中から、イベントに対応する命令アドレスを特定する。図４に示した検出命令アドレス／変化量総計対応テーブル２２３には、イベントに関係のないアセンブリ命令の命令アドレスが含まれているため、イベントに対応する命令アドレスを特定する。

たとえば、イベントがキャッシュミスである場合、キャッシュミスに対応するアセンブリ命令は、「ＬＤ」（ロード）であるため、図４に示した検出命令アドレスの中から、アセンブリ命令：ＬＤの命令アドレスを特定する。なお、どの命令アドレスがどのようなアセンブリ命令であるかは、解析対象プログラム２２１のソースコードから得ることができる。

また、表示部３０５は、図１に示したディスプレイ１０８に相当し、表示制御部３０６の制御内容に従って、表示画面に各種画像やテキストを表示する。表示制御部３０６は、表示画面を制御して、算出部３０３によって算出された命令アドレスごとの変化量ΔＰの総計を表示する。たとえば、変化量ΔＰの総計の命令アドレスごとの変化を示すグラフを表示する。

図５−１は、変化量ΔＰの総計の命令アドレスごとの変化を示すグラフである。図５−１において、横軸は命令アドレスであり、縦軸が命令アドレスごとの変化量ΔＰの総計である。このとき、特定部３０４によって特定された命令アドレス（イベントに対応した命令アドレス）を強調表示することにより、イベントに対応した命令アドレスの変化量総計を視覚的に認識することができる。

なお、強調表示については、他の命令アドレスやその変化量総計とは識別できるように表示すればよく、その表示形態は様々である。たとえば、イベントに対応した命令アドレスを他の命令アドレスとは異なる大きさ、色などで表示したり、グラフ上、イベントに対応した命令アドレスの変化量総計の箇所を他の箇所とは異なる色で表示したりすることが考えられる。

また、表示制御部３０６は、命令アドレスごとの変化量の総計を、命令アドレスのアセンブリ命令を含む実行単位に基づいて表示することとしてもよい。ここで、実行単位とは、命令アドレスのアセンブリ命令そのもの、アセンブリ命令を含む処理（たとえば、Ｆｏｒ文などのまとまった文章記述）、アセンブリ命令を含む関数である。

この場合、図５−１に示したグラフの横軸は、実行単位となり、縦軸の変化量総計は、横軸の実行単位に応じて変化する。実行単位を関数Ｆｉ（Ｆ１〜Ｆｎ）とした場合のグラフを図５−２に示す。図５−２は、変化量ΔＰの総計の関数Ｆｉごとの変化を示すグラフである。

なお、図３に示した設定部３０１、検出部３０２、算出部３０３、特定部３０４、および表示制御部３０６は、具体的には、たとえば、図１に示したＲＯＭ１０２，ＲＡＭ１０３，ＨＤ１０５などの記録媒体に記録されているプログラムを、ＣＰＵ１０１に実行させることによって、またはＩ／Ｆ１０９によって、その機能を実現する。

（性能解析処理手順）
つぎに、この発明の実施の形態にかかる性能解析装置３００の性能解析処理手順について説明する。図６は、この発明の実施の形態にかかる性能解析装置３００の性能解析処理手順を示すフローチャートである。図６において、まず、設定部３０１により、ハードウェアカウンタ２１３に性能モニタリングしたいイベントを設定する（ステップＳ６０１）。

つぎに、解析対象プログラム２２１が実行開始されるまで待ち受け（ステップＳ６０２：Ｎｏ）、実行開始された場合（ステップＳ６０２：Ｙｅｓ）、検出部３０２により、タイマ２１４からの割り込み信号発生時の命令アドレスを検出する（ステップＳ６０３）。

つぎに、算出部３０３により、検出命令アドレスにおけるハードウェアカウンタ２１３の計数値の変化量ΔＰを算出し（ステップＳ６０４）、検出命令アドレスごとに変化量ΔＰを累積保持する（ステップＳ６０５）。そして、解析対象プログラム２２１の実行が終了したか否かを判断する（ステップＳ６０６）。

終了していない場合（ステップＳ６０６：Ｎｏ）、ステップＳ６０３に戻り、つぎの割り込み信号発生時の命令アドレスを検出する。一方、実行終了である場合（ステップＳ６０６：Ｙｅｓ）、ステップＳ６０７に移行する。この段階で、図４に示した検出命令アドレス／変化量総計対応テーブル２２３が完成する。

そして、特定部３０４により、イベントに対応する命令アドレスを特定して（ステップＳ６０７）、表示制御部３０６により図５−１または図５−２に示したような変化量総計のグラフを表示画面に表示する（ステップＳ６０８）。これにより、一連の処理を終了する。

このように、この実施の形態によれば、特定全体の区間として曖昧であった解析対象プログラム２２１のハードウェアカウンタ２１３により計数される各種イベントの発生回数を示す計数値を、そのイベントに対応する関数、処理、アセンブリ命令位置として視覚的に表示することができる。したがって、解析対象プログラム２２１やシステムへのチューニングや設計を容易かつ正確におこなうことができる。

たとえば、キャッシュミスをイベントとして設定した場合、その命令アドレスの近辺でキャッシュミスが発生していることを早急に突き止めることができる。そのため解析対象プログラム２２１に対して、キャッシュミスの各種対策（プリフェッチなど）などプログラム修正をすることでキャッシュミスの低減化を図ることができ、解析対象プログラム２２１の性能の向上を図ることができる。このように、ハードウェアカウンタ２１３の計数値に対応した性能向上に対する阻害要因を分析することにより、正確なチューニングをおこなうことができる。

また、細粒度の区間情報を視覚することで従来は平均値としてとらえられなかった情報を最小値／最大値や分散値などの新たな指標として取得でき、解析対象プログラム２２１やシステムでの設計、チューニングや、さらに新しい“特徴分析の指標”としても活用することができる。

以上説明したように、この発明にかかる性能解析装置３００、性能解析方法、性能解析プログラム２２２、および記録媒体によれば、解析対象プログラム２２１のチューニングポイントをプロセッサの既存のハードウェア構成を用いるだけで簡単かつわかりやすく提示することができるという効果を奏する。

なお、本実施の形態で説明した性能解析方法は、予め用意されたプログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することにより実現することができる。このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行される。またこのプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することが可能な伝送媒体であってもよい。

以上のように、本発明にかかる性能解析装置、性能解析方法、性能解析プログラム、および記録媒体は、プログラムの性能モニタリングに有用である。

この発明の実施の形態にかかる性能解析装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 図１に示したハードウェア構成を部分的に拡大したブロック図である。 この発明の実施の形態にかかる性能解析装置の機能的構成を示すブロック図である。 検出命令アドレス／変化量総計対応テーブルの一例を示す説明図である。 変化量総計の命令アドレスごとの変化を示すグラフである。 変化量総計の関数ごとの変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態にかかる性能解析装置の性能解析処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２０１ 測定用プロセッサ
２０２ メモリ
２０３ 性能解析用プロセッサ
２１１ プロセッサコア
２１２ キャッシュ
２１３ ハードウェアカウンタ
２１４ タイマ
２２１ 解析対象プログラム
２２２ 性能解析プログラム
２２３ 検出命令アドレス／変化量総計対応テーブル
３００ 性能解析装置
３０１ 設定部
３０２ 検出部
３０３ 算出部
３０４ 特定部
３０５ 表示部
３０６ 表示制御部

Claims (10)

1. 解析対象プログラムを実行させるプロセッサ内のハードウェアカウンタにより発生回数が計数されるイベントを設定する設定手段と、
   前記解析対象プログラムの実行中において、前記プロセッサから所定時間間隔で発生する割り込み信号の発生時における命令アドレスを検出する検出手段と、
   前記設定手段によって設定されたイベントの発生回数を示す前記ハードウェアカウンタの計数値の変化量の総計を、前記検出手段によって検出された命令アドレスごとに算出する算出手段と、
   表示画面を有する表示手段と、
   前記表示画面を制御して、前記算出手段によって算出された前記命令アドレスごとの変化量の総計を表示する表示制御手段と、
   を備えることを特徴とする性能解析装置。
2. 前記算出手段によって前記変化量の総計が算出された命令アドレスの中から、前記イベントに対応する命令アドレスを特定する特定手段を備え、
   前記表示制御手段は、
   前記特定手段によって特定された命令アドレスを、当該命令アドレスの前記変化量の総計に関連付けて表示することを特徴とする請求項１に記載の性能解析装置。
3. 前記表示制御手段は、
   前記命令アドレスごとの変化量の総計を、前記命令アドレスの命令を含む実行単位に基づいて表示することを特徴とする請求項１または２に記載の性能解析装置。
4. 解析対象プログラムを実行させるプロセッサ内のハードウェアカウンタにより発生回数が計数されるイベントを設定する設定工程と、
   前記解析対象プログラムの実行中において、前記プロセッサから所定時間間隔で発生する割り込み信号の発生時における命令アドレスを検出する検出工程と、
   前記設定工程によって設定されたイベントの発生回数を示す前記ハードウェアカウンタの計数値の変化量の総計を、前記検出工程によって検出された命令アドレスごとに算出する算出工程と、
   前記算出工程によって算出された前記命令アドレスごとの変化量の総計を表示画面に表示する表示工程と、
   を含んだことを特徴とする性能解析方法。
5. 前記算出工程によって前記変化量の総計が算出された命令アドレスの中から、前記イベントに対応する命令アドレスを特定する特定工程を含み、
   前記表示工程は、
   前記特定工程によって特定された命令アドレスを、当該命令アドレスの前記変化量の総計に関連付けて表示することを特徴とする請求項４に記載の性能解析方法。
6. 前記表示工程は、
   前記命令アドレスごとの変化量の総計を、前記命令アドレスの命令を含む実行単位に基づいて表示することを特徴とする請求項４または５に記載の性能解析方法。
7. 解析対象プログラムを実行させるプロセッサ内のハードウェアカウンタにより発生回数が計数されるイベントを設定させる設定工程と、
   前記解析対象プログラムの実行中において、前記プロセッサから所定時間間隔で発生する割り込み信号の発生時における命令アドレスを検出させる検出工程と、
   前記設定工程によって設定されたイベントの発生回数を示す前記ハードウェアカウンタの計数値の変化量の総計を、前記検出工程によって検出された命令アドレスごとに算出させる算出工程と、
   前記算出工程によって算出された前記命令アドレスごとの変化量の総計を表示画面に表示させる表示工程と、
   をコンピュータに実行させることを特徴とする性能解析プログラム。
8. 前記算出工程によって前記変化量の総計が算出された命令アドレスの中から、前記イベントに対応する命令アドレスを特定させる特定工程を前記コンピュータに実行させ、
   前記表示工程は、
   前記特定工程によって特定された命令アドレスを、当該命令アドレスの前記変化量の総計に関連付けて表示させることを特徴とする請求項７に記載の性能解析プログラム。
9. 前記表示工程は、
   前記命令アドレスごとの変化量の総計を、前記命令アドレスの命令を含む実行単位に基づいて表示させることを特徴とする請求項７または８に記載の性能解析プログラム。
10. 請求項７〜９のいずれか一つに記載の性能解析プログラムを記録した前記コンピュータに読み取り可能な記録媒体。
    

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